Nanotuburi de carbon. Nanotuburi de carbon: producție, aplicare, proprietăți. Îndepărtarea catalizatorului

Introducere

Chiar și acum 15-20 de ani, mulți nici măcar nu s-au gândit la un posibil înlocuitor al siliciului. Puțini ar fi putut ghici că la începutul secolului douăzeci și unu va începe o adevărată „cursă a nanometrilor” între companiile de semiconductori. Apropierea treptată de nanolume te face să te întrebi ce se va întâmpla în continuare? Va continua celebra lege a lui Moore? Într-adevăr, odată cu trecerea la standarde de producție mai subtile, dezvoltatorii se confruntă cu sarcini din ce în ce mai complexe. Mulți experți sunt în general înclinați să creadă că într-un deceniu sau doi, siliciul se va apropia de o limită de netrecut fizic, când nu va mai fi posibilă crearea unor structuri de siliciu mai subțiri.

Judecând după cele mai recente cercetări, unii dintre cei mai probabili (dar departe de singurii) candidați pentru poziția de „înlocuitori de siliciu” sunt materialele pe bază de carbon - nanotuburi de carbon și grafen - care, probabil, pot deveni baza nanoelectronicii viitor. Am vrut să vorbim despre ele în acest articol. Mai degrabă, vom vorbi în continuare mai mult despre nanotuburi, deoarece acestea au fost obținute mai devreme și mai bine studiate. Până acum, există mult mai puține dezvoltări legate de grafen, dar acest lucru nu îi diminuează în niciun caz meritele. Unii cercetători cred că grafenul este un material mai promițător decât nanotuburile de carbon, așa că astăzi vom spune și câteva cuvinte despre el. Mai mult, unele dintre realizările cercetătorilor care au avut loc destul de recent oferă puțin optimism.

De fapt, este foarte dificil să acoperim toate realizările din aceste domenii în curs de dezvoltare în cadrul unui articol, așa că ne vom concentra doar asupra evenimentelor cheie din ultimele luni. Scopul articolului este de a familiariza pe scurt cititorii cu cele mai importante și mai interesante realizări recente în domeniul nanoelectronicii „de carbon” și domenii promițătoare de aplicare a acesteia. Pentru cei interesați, nu ar trebui să fie dificil să găsească o mulțime de informații mai detaliate pe această temă (în special, cu cunoștințele de limba engleză).

Nanotuburi de carbon

După adăugarea a încă una (fulerene) la cele trei forme alotrope tradiționale de carbon (grafit, diamant și carbină), în următorii câțiva ani, rapoartele despre descoperirea și studiul diferitelor structuri bazate pe carbon cu proprietăți interesante, cum ar fi nanotuburile , nanoringuri, materiale ultrafine etc.

În primul rând, ne interesează nanotuburi de carbon - structuri cilindrice alungite goale, cu un diametru de ordinul câtorva până la zeci de nanometri (lungimea nanotuburilor tradiționale este calculată în microni, deși în laboratoare produc deja structuri cu o lungime de de ordinul milimetrilor şi chiar centimetrilor). Aceste nanostructuri pot fi reprezentate astfel: pur și simplu luăm o bandă de plan de grafit și o rulăm într-un cilindru. Desigur, aceasta este doar o reprezentare figurativă. În realitate, nu este posibil să obțineți direct un plan de grafit și să îl răsuciți „într-un tub”. Metodele de producere a nanotuburilor de carbon sunt o problemă tehnică destul de complexă și voluminoasă, iar luarea în considerare a acestora depășește scopul acestui articol.

Nanotuburile de carbon vin într-o mare varietate de forme. De exemplu, pot fi cu un singur perete sau cu mai mulți pereți (cu un singur perete sau cu mai mulți pereți), drepte sau spiralate, lungi și scurte etc. Ceea ce este important, nanotuburile s-au dovedit a fi neobișnuit de puternice la tracțiune și îndoire. Sub influența unor tensiuni mecanice mari, nanotuburile nu se sparg, nu se sparg, dar structura lor este pur și simplu rearanjată. Apropo, din moment ce vorbim despre puterea nanotuburilor, este interesant de observat unul dintre cele mai recente studii despre natura acestei proprietăți.

Cercetătorii de la Universitatea Rice, conduși de Boris Yakobson, au descoperit că nanotuburile de carbon se comportă ca „structuri inteligente de auto-vindecare” (studiul a fost publicat pe 16 februarie 2007 în Physical Review Letters). Astfel, sub solicitări mecanice critice și deformații cauzate de schimbările de temperatură sau radiațiile radioactive, nanotuburile sunt capabile să se „repare” singure. Se pare că, pe lângă celulele cu 6 atomi de carbon, nanotuburile conțin și grupuri de cinci și șapte atomi. Aceste celule atomice 5/7 prezintă un comportament neobișnuit, circulând de-a lungul suprafeței nanotubului de carbon ca niște aburi pe mare. Când se produce deteriorarea la locul defectului, aceste celule participă la „vindecarea rănilor” prin redistribuirea energiei.

În plus, nanotuburile prezintă multe proprietăți electrice, magnetice și optice neașteptate, care au devenit deja obiectul unui număr de studii. O caracteristică a nanotuburilor de carbon este conductivitatea lor electrică, care s-a dovedit a fi mai mare decât cea a tuturor conductorilor cunoscuți. De asemenea, au o conductivitate termică excelentă, sunt stabile din punct de vedere chimic și, cel mai interesant, pot dobândi proprietăți semiconductoare. În ceea ce privește proprietățile electronice, nanotuburile de carbon se pot comporta ca metale sau semiconductori, ceea ce este determinat de orientarea poligoanelor de carbon față de axa tubului.

Nanotuburile tind să se lipească strâns împreună pentru a forma seturi de nanotuburi metalice și semiconductoare. Până acum, o sarcină dificilă este de a sintetiza o serie de numai nanotuburi semiconductoare sau de a separa (separa) semiconductorii de cei metalici. Ne vom familiariza cu cele mai recente modalități de a rezolva această problemă în continuare.

Grafen

Grafenul, în comparație cu nanotuburile de carbon, a fost obținut mult mai târziu. Poate că asta explică faptul că auzim despre grafen în știri mult mai rar decât despre nanotuburi de carbon, deoarece este mai puțin studiat. Dar acest lucru nu îi scade meritele. Apropo, acum câteva săptămâni, grafenul a fost în centrul atenției în mediul academic, datorită unei noi dezvoltări a cercetătorilor. Dar mai multe despre asta mai târziu și acum puțină istorie.

În octombrie 2004, BBC News a raportat că profesorul Andre Geim și colegii săi de la Universitatea din Manchester (Marea Britanie), împreună cu grupul dr. Novoselov (Chernogolovka, Rusia), au reușit să obțină material gros ca un atom de carbon. Numit grafen, este o moleculă de carbon plană bidimensională cu grosimea de un atom. Pentru prima dată în lume, a fost posibilă separarea stratului atomic de cristalul de grafit.

În același timp, Geim și echipa sa au propus așa-numitul tranzistor balistic pe bază de grafen. Grafenul va face posibilă crearea de tranzistori și alte dispozitive semiconductoare cu dimensiuni foarte mici (de ordinul a câțiva nanometri). Reducerea lungimii canalului tranzistorului duce la o modificare a proprietăților acestuia. În nanolume, rolul efectelor cuantice este în creștere. Electronii se deplasează de-a lungul canalului ca o undă de Broglie, iar acest lucru reduce numărul de ciocniri și, în consecință, crește eficiența energetică a tranzistorului.

Grafenul poate fi considerat ca un nanotub de carbon „desfăcut”. Mobilitatea crescută a electronilor îl face unul dintre cele mai promițătoare materiale pentru nanoelectronică. Din moment ce nu au trecut nici măcar trei ani de la primirea grafenului, proprietățile acestuia nu au fost încă studiate foarte bine. Dar primele rezultate interesante ale experimentelor sunt deja acolo.

Ultimele progrese ale carbonului

Din moment ce ne-am familiarizat pentru prima dată cu nanotuburile de carbon (cronologic au fost obținute primele), în această parte a articolului vom începe și cu ele. Probabil, ați putea avea o întrebare cu următorul conținut: dacă nanotuburile de carbon sunt atât de bune și promițătoare, de ce nu au fost încă introduse în producția de masă?

Una dintre principalele probleme a fost deja menționată la începutul articolului. Nu a fost încă creată o metodă de sinteză a unei matrice constând numai din nanotuburi cu anumite proprietăți, formă și dimensiuni, care ar putea fi introduse în producția de masă. Se acordă mai multă atenție sortării unei matrice „mixte”, constând din nanotuburi cu proprietăți semiconductoare și metalice (nu mai puțin importantă este sortarea după lungime și diametru). Este oportun să amintim aici una dintre primele dezvoltări în acest domeniu, care aparține IBM, după care vom trece la cele mai recente realizări.

O lucrare din aprilie 2001, Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown, a raportat că cercetătorii IBM au fost primii care au construit un tranzistor bazat pe nanotuburi de carbon de 1 nanometru în diametru și microni în lungime. Atenția s-a concentrat asupra faptului că au reușit să găsească o modalitate de a realiza o astfel de producție la scară de masă în viitor.

Oamenii de știință de la IBM au dezvoltat o metodă care le-a permis să distrugă toate nanotuburile metalice, lăsându-le intacte pe cele semiconductoare. În prima etapă, o serie de nanotuburi este plasată pe un substrat de dioxid de siliciu. Apoi, electrozii sunt formați deasupra nanotuburilor. Substratul de siliciu joacă rolul electrodului inferior și contribuie la blocarea nanotuburilor semiconductoare. În plus, se aplică un exces de tensiune. Ca urmare, nanotuburile „neprotejate” cu proprietăți metalice sunt distruse, iar cele semiconductoare rămân intacte.

Dar totul este simplu în cuvinte, dar în realitate procesul în sine pare mult mai complicat. S-au raportat planuri de a aduce în minte dezvoltarea în 3-4 ani (adică până în 2004/2005), dar, după cum putem vedea, nu au existat încă rapoarte despre introducerea acestei tehnologii.

Acum să trecem la prezent și anume la sfârșitul toamnei trecute. Apoi, site-ul Technology Review a raportat despre o nouă metodă de sortare a nanotuburilor de carbon, care a fost dezvoltată de cercetătorii de la Northwestern University (Northwestern University). Pe lângă separarea bazată pe proprietăți conductoare, această metodă permite și sortarea nanotuburilor după diametrul lor.

În mod curios, scopul inițial a fost de a sorta numai după diametru, iar capacitatea de a sorta după conductivitate electrică a fost o surpriză pentru cercetătorii înșiși. Richard Martel, profesor de chimie la Universitatea din Montreal (Montreal, Canada), a remarcat că noua metodă de sortare poate fi numită o descoperire majoră în acest domeniu.

Noua metodă de sortare se bazează pe ultracentrifugarea, care implică rotația materialului la viteze extraordinare de până la 64 mii rpm. Înainte de aceasta, se aplică un agent tensioactiv pe matricea de nanotuburi, care, după ultracentrifugare, este distribuită neuniform în conformitate cu diametrul și conductivitatea electrică a nanotuburilor. Unul dintre cei care s-au familiarizat îndeaproape cu noua metodă, profesorul la Universitatea din Florida din Gainesville, Andrew Rinzler, a spus că metoda de sortare propusă va produce o matrice cu o concentrație de tub semiconductor de 99% sau mai mult.

Noua tehnologie a fost deja folosită în scopuri experimentale. Cu ajutorul nanotuburilor semiconductoare sortate, tranzistoarele au fost create cu o structură relativ simplă care poate fi folosită pentru a controla pixelii din panourile monitoarelor și televizoarelor.

Apropo, spre deosebire de metoda IBM, când nanotuburile metalice au fost pur și simplu distruse, cercetătorii de la Universitatea Northwestern pot folosi ultracentrifugarea pentru a obține nanotuburi metalice, care pot fi folosite și în dispozitive electronice. De exemplu, pot fi utilizați ca electrozi transparenți în unele tipuri de afișaje și celule solare organice.

Nu vom aprofunda în alte probleme care împiedică introducerea nanotuburilor, precum dificultățile tehnologice de integrare în dispozitivele electronice seriale, precum și pierderile semnificative de energie la joncțiunile metalului cu nanotuburi, care se datorează rezistenței mari de contact. Cel mai probabil, dezvăluirea acestor subiecte serioase va părea neinteresantă și prea dificilă pentru un cititor obișnuit, în plus, poate dura câteva pagini.

În ceea ce privește grafenul, probabil că vom începe să luăm în considerare realizările în acest domeniu în primăvara anului trecut. În aprilie 2006, Science Express a publicat un studiu fundamental al proprietăților grafenului, realizat de un grup de oameni de știință de la Institutul de Tehnologie din Georgia (GIT), SUA) și de la Centrul Național Francez pentru Cercetare Științifică (Center National de la Recherche Scientifique). ).

Prima teză importantă a lucrării: circuitele electronice pe bază de grafen pot fi produse cu echipamente tradiționale care sunt utilizate în industria semiconductoarelor. Profesorul GIT Walt de Heer a rezumat succesul studiului după cum urmează: „Am arătat că putem crea material grafen, „decupăm” structuri de grafen și că grafenul are proprietăți electrice excelente. Acest material se caracterizează printr-o mobilitate ridicată a electronilor”.

Mulți oameni de știință și cercetători înșiși spun că au pus bazele (baza) electronicii cu grafen. Se observă că nanotuburile de carbon sunt doar primul pas către lumea nanoelectronicii. În viitorul electronicii, Walt de Heer și colegii săi văd grafen. Este de remarcat faptul că cercetarea este susținută de Intel și nu aruncă bani la scurgere.

Acum să descriem pe scurt metoda de producere a microcircuitelor de grafen și grafen propusă de Walt de Heer și colegii săi. Prin încălzirea unui substrat de carbură de siliciu în vid înalt, oamenii de știință forțează atomii de siliciu să părăsească substratul, lăsând doar un strat subțire de atomi de carbon (grafen). În pasul următor, ei aplică un material fotorezistent (fotorezist) și folosesc litografia tradițională cu fascicul de electroni pentru a grava „modelele” necesare, adică folosesc tehnologiile de producție care sunt utilizate pe scară largă astăzi. Acesta este un avantaj semnificativ al grafenului față de nanotuburi.

Ca rezultat, oamenii de știință au reușit să graveze nanostructuri de 80 nm. În acest fel, a fost creat un tranzistor cu efect de câmp cu grafen. Un dezavantaj serios poate fi numit curenții mari de scurgere ai dispozitivului creat, deși oamenii de știință nu s-au supărat deloc. Ei credeau că în stadiul inițial acest lucru este destul de normal. În plus, a fost creat un dispozitiv de interferență cuantică complet funcțional care poate fi folosit pentru a controla undele de electroni.

Din primăvara anului trecut, nu au existat realizări de mare profil, precum dezvoltarea din aprilie. Cel puțin nu au apărut pe paginile site-urilor de internet. Însă luna februarie a fost marcată de mai multe evenimente simultan și i-au făcut pe oameni să se gândească din nou la „perspectivele grafenului”.

La începutul lunii trecute, AMO (grupul de nanoelectronice AMO) și-a prezentat dezvoltarea în cadrul proiectului ALEGRA. Inginerii AMO au reușit să creeze un tranzistor top-gate, care le face similare ca structură cu tranzistoarele moderne cu efect de câmp (MOSFET) de siliciu. Interesant este că tranzistorul cu grafen a fost creat folosind tehnologia tradițională de fabricație CMOS.

Spre deosebire de MOSFET-urile (MOSFET-uri - Metal Oxide Semiconductor), tranzistoarele cu grafen creați de inginerii AMO se caracterizează prin mobilitate mai mare a electronilor și viteză de comutare. Din păcate, detaliile de dezvoltare nu au fost dezvăluite momentan. Primele detalii vor fi publicate în aprilie anul acesta în revista IEEE Electron Device Letters.

Acum ne întoarcem la o altă dezvoltare „proaspătă” - un tranzistor cu grafen, care funcționează ca un dispozitiv semiconductor cu un singur electron. Este interesant că creatorii acestui dispozitiv ne sunt deja cunoscuți profesorul Geim, om de știință rus Konstantin Novoselov și alții.

Acest tranzistor are regiuni în care sarcina electrică devine cuantificată. În acest caz, se observă efectul blocadei coulombiane (în timpul tranziției unui electron apare o tensiune care împiedică mișcarea particulelor următoare, respinge semenii cu sarcina sa. Acest fenomen a fost numit blocada coulombiană. Datorită blocada, electronul următor va trece numai atunci când cel anterior se va îndepărta de tranziție. Astfel, particulele vor putea „sări” doar la anumite intervale). Ca rezultat, doar un electron poate trece prin canalul unui tranzistor, care are doar câțiva nanometri lățime. Adică, devine posibilă controlul dispozitivelor semiconductoare cu un singur electron.

Capacitatea de a controla electronii individuali deschide noi posibilități pentru creatorii de circuite electronice. Ca rezultat, tensiunea porții poate fi redusă semnificativ. Dispozitivele bazate pe tranzistoare de grafen cu un singur electron vor avea o sensibilitate ridicată și o viteză excelentă. Desigur, dimensiunile vor fi și ele reduse cu un ordin de mărime. Important este că o problemă serioasă, caracteristică prototipului tranzistorului grafen Walt de Hira, a fost depășită - curenții mari de scurgere.

Trebuie remarcat faptul că dispozitivele cu un singur electronic au fost deja create folosind siliciu tradițional. Dar problema este că majoritatea pot funcționa doar la temperaturi foarte scăzute (deși există deja mostre care funcționează la temperatura camerei, dar sunt mult mai mari decât tranzistoarele cu grafen). Creația lui Geim și a colegilor săi poate lucra în siguranță la temperatura camerei.

Perspective pentru utilizarea nanomaterialelor de carbon

Cel mai probabil, această parte a articolului va fi cea mai interesantă pentru cititori. La urma urmei, teoria este un lucru, iar întruchiparea realizărilor științifice în dispozitive reale utile unei persoane, chiar și prototipuri, ar trebui să intereseze consumatorul. În general vorbind, posibilul domeniu de aplicare al nanotuburilor de carbon și al grafenului este destul de divers, dar ne interesează în primul rând lumea electronicii. Aș dori să remarc imediat că grafenul este un material de carbon „mai tânăr” și se află încă la începutul căii de cercetare, prin urmare, în această parte a articolului, atenția principală va fi acordată dispozitivelor și tehnologiilor bazate pe carbon. nanotuburi.

Afișări

Utilizarea nanotuburilor de carbon în afișaje este strâns legată de tehnologia FED (Field Emission Display), care a fost dezvoltată de compania franceză LETI și a fost introdusă pentru prima dată în 1991. Spre deosebire de CRT, unde sunt utilizați până la trei așa-numiți catozi „fierbinți”, afișajele FED au folosit inițial o serie de mulți catozi „reci”. După cum sa dovedit, o rată prea mare de rebuturi a făcut ca FED să fie necompetitive. În plus, în 1997-1998, a existat o tendință de reducere semnificativă a costului panourilor cu cristale lichide, care, așa cum părea atunci, nu lăsa nicio șansă pentru tehnologia FED.

Creația companiei LETI a primit un „al doilea vânt” până la sfârșitul secolului trecut, când au apărut primele studii ale afișajelor FED, în care s-a propus utilizarea unor rețele de nanotuburi de carbon ca catozi. O serie de mari producători s-au arătat interesați de afișaje bazate pe nanotuburi de carbon, inclusiv cunoscutele companii Samsung, Motorola, Fujitsu, Canon, Toshiba, Philips, LG, Hitachi, Pioneer și altele. În ilustrație, vedeți una dintre variantele de implementare a afișajelor FED pe nanotuburi de carbon SDNT (nanotuburi de carbon cu diametru mic, nanotuburi de carbon cu diametru mic).

Se observă că display-urile FED pe nanotuburi de carbon pot concura cu panourile moderne cu o diagonală mare și în viitor vor concura serios în primul rând cu panourile cu plasmă (aceste domină sectorul cu diagonale ultra-mari). Cel mai important, nanotuburile de carbon vor reduce semnificativ costurile de fabricație a afișajelor FED.

Din cele mai recente știri din lumea display-urilor cu nanotuburi FED, merită să reamintim anunțul recent al Motorola că dezvoltările sale sunt aproape gata să părăsească zidurile laboratoarelor de cercetare și să intre în stadiul producției de masă. Interesant este că Motorola nu are de gând să-și construiască propriile fabrici pentru producția de afișaje cu nanotuburi și se află în prezent în negocieri de licențiere cu mai mulți producători. Șeful de cercetare și dezvoltare al Motorola, James Jaskie, a menționat că două companii asiatice construiesc deja fabrici pentru a produce afișaje pe bază de nanotuburi de carbon. Așadar, afișajele cu nanotuburi nu sunt un viitor atât de îndepărtat și este timpul să le luăm în serios.

Una dintre provocările dificile cu care se confruntă inginerii Motorola a fost crearea unei metode la temperatură scăzută pentru producerea nanotuburilor de carbon pe un substrat (pentru a nu topi substratul de sticlă). Și această barieră tehnologică a fost deja depășită. De asemenea, a raportat finalizarea cu succes a dezvoltării metodelor de sortare a nanotuburilor, care pentru multe companii care operează în industrie a devenit un „obstacol de netrecut”.

Directorul DiplaySearch, Steve Jurichich, consideră că este prea devreme să ne bucurăm de Motorola. Până la urmă, mai rămâne o cucerire a pieței în față, unde locul „sub soare” a fost deja luat de producătorii de panouri cu cristale lichide și plasmă. Nu uitați de alte tehnologii promițătoare, precum OLED (afișaje organice cu diode emițătoare de lumină), QD-LED (LED cuantic-dot, un fel de afișaje LED care utilizează așa-numitele puncte cuantice, dezvoltate de compania americană QD Vision) . În plus, în viitor, Samsung Electronics și un proiect comun pentru introducerea de afișaje cu nanotuburi de către Canon și Toshiba pot forma o concurență dură pentru Motorola (apropo, intenționează să înceapă să livreze primele afișaje cu nanotuburi până la sfârșitul acestui an) .

Nanotuburile de carbon și-au găsit aplicații nu numai în afișajele FED. Cercetătorii de la laboratorul Regroupement Quebecois sur les Materiaux de Pointe (Quebec, Canada) au propus utilizarea unui material bazat pe nanotuburi de carbon cu un singur perete ca electrozi pentru afișajele OLED. Potrivit site-ului web Nano Technology World, noua tehnologie va face posibilă crearea de hârtie electronică foarte subțire. Datorită rezistenței ridicate a nanotuburilor și matricei de electrozi extrem de subțiri, afișajele OLED pot fi foarte flexibile și, de asemenea, au un grad ridicat de transparență.

Memorie

Înainte de a începe o poveste despre cele mai interesante evoluții „carbon” din domeniul memoriei, aș dori să remarc că cercetarea în domeniul tehnologiilor de stocare a informațiilor în general este unul dintre domeniile cel mai activ în curs de dezvoltare în prezent. Expozițiile organizate recent Consumer Electronic Show (Las Vegas) și CeBIT din Hanovra au arătat că interesul pentru diverse unități și sisteme de stocare a datelor nu scade în timp, ci doar crește. Și acest lucru nu este surprinzător. Gândiți-vă doar: conform organizației analitice IDC, în 2006 au fost generați aproximativ 161 de miliarde de gigaocteți de informații (161 de exaocteți), adică de zeci de ori mai mult decât în ​​anii precedenți!

În ultimul 2006, tot ce a mai rămas a fost să fii uimit de ideile inventive ale oamenilor de știință. Am văzut atât de multe lucruri: memorie bazată pe nanoparticule de aur și memorie bazată pe supraconductori și chiar memorie... pe viruși și bacterii! Recent, știrile menționează tot mai des astfel de tehnologii de memorie nevolatilă precum MRAM, FRAM, PRAM și altele, care nu mai sunt doar exponate „de hârtie” sau prototipuri demonstrative, ci dispozitive destul de funcționale. Deci, tehnologiile de memorie bazate pe nanotuburi de carbon reprezintă doar o mică parte din cercetarea dedicată stocării informațiilor.

Să începem povestea noastră despre memoria „nanotuburilor” cu evoluțiile companiei Nantero, care a devenit deja destul de renumită în domeniul său. Totul a început în 2001, când în tânăra companie au fost atrase investiții mari, ceea ce a făcut posibilă începerea dezvoltării active a unui nou tip de memorie NRAM nevolatilă bazată pe nanotuburi de carbon. Am văzut câteva evoluții majore Nantero în ultimul an. În aprilie 2006, compania a anunțat crearea unui comutator de memorie NRAM, fabricat la standarde de 22 nm. Pe lângă dezvoltările proprietare Nantero, tehnologiile de producție existente au fost implicate în crearea noului dispozitiv. În luna mai a aceluiași an, tehnologia sa de creare a dispozitivelor bazate pe nanotuburi de carbon a fost integrată cu succes în producția CMOS pe echipamentele LSI Logic Corporation (la fabrica ON Semiconductor).

La sfarsitul anului 2006, eveniment semnificativ... Nantero a anunțat că a depășit toate barierele tehnologice majore din calea producției în masă de cipuri de nanotuburi de carbon folosind echipamente tradiționale. S-a dezvoltat o metodă de depunere a nanotuburilor pe un substrat de siliciu folosind o metodă cunoscută precum spin-coating-ul, după care se aplică litografia și gravarea, tradiționale pentru producția de semiconductori. Unul dintre avantajele NRAM-ului este vitezele mari de citire/scriere.

Cu toate acestea, nu vom aprofunda în subtilitățile tehnologice. Voi observa doar că astfel de realizări îi oferă lui Nantero toate motivele pentru a conta pe succes. Dacă inginerii companiei reușesc să aducă dezvoltarea la concluzia logică și producția de cipuri NRAM nu este foarte costisitoare (și posibilitatea de a folosi echipamentele existente dă dreptul să sperăm că așa este), atunci vom asista la apariția unei noi arme formidabile. pe piața memoriei, care poate apăsa serios tipurile existente memorie inclusiv SRAM, DRAM, NAND, NOR etc.

Ca și în multe alte domenii ale științei și tehnologiei, cercetările privind memoria pe nanotuburi de carbon sunt efectuate nu numai de companii comerciale precum Nantero, ci și de laboratoare de lideri. institutii de invatamant lumea. Printre lucrări interesante dedicat memoriei „carbon”, aș dori să remarc evoluția angajaților Universității Politehnice din Hong Kong, publicată în aprilie anul trecut pe paginile ediției online Applied Physics Letters.

Spre deosebire de multe modele similare care funcționează doar la temperaturi foarte scăzute, dispozitivul creat de fizicienii Jiyan Dai și X. B. Lu poate funcționa la temperatura camerei. Memoria nevolatilă creată de cercetătorii din Hong Kong nu este la fel de rapidă ca NRAM-ul lui Nantero, așa că perspectiva deplasării DRAM-ului de pe tron ​​este probabil să eșueze. Dar poate fi privit ca un potențial înlocuitor pentru memoria flash tradițională.

Pentru a vă face o idee generală despre cum funcționează această memorie, priviți ilustrația (b) de mai jos. Nanotuburile de carbon (CNT) acționează ca un strat pentru stocarea (stocarea) încărcăturii. Ele par a fi cuprinse între două straturi de HfAlO (formate din hafniu, aluminiu și oxigen), care joacă rolul de poartă de control și de strat de oxid. Întreaga structură este plasată pe un substrat de siliciu.

O soluție destul de originală a fost propusă de oamenii de știință coreeni Jeong Won Kang și Qing Jiang. Ei au reușit să dezvolte memoria bazată pe așa-numitele nanotuburi telescopice. Principiul din spatele noii dezvoltări a fost descoperit în 2002 și a fost descris în lucrarea „Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators”. Autorii săi au reușit să stabilească că un nanotub cu un alt nanotub cu un diametru mai mic încorporat în el formează un oscilator atingând o frecvență de oscilație de ordinul gigahertzului.

Viteza mare de alunecare a nanotuburilor încorporate în alte nanotuburi determină viteza unui nou tip de memorie. Yong Won Kang și Kin Yan susțin că dezvoltarea lor poate fi folosită nu numai ca memorie flash, ci și ca memorie RAM de mare viteză. Principiul memoriei este ușor de înțeles din figură.

După cum puteți vedea, o pereche de nanotuburi imbricate sunt plasate între doi electrozi. Când o sarcină este aplicată unuia dintre electrozi, nanotubul interior se deplasează într-o parte sau în cealaltă sub acțiunea forțelor van der Waals. Această dezvoltare are un dezavantaj semnificativ: o mostră dintr-o astfel de memorie poate funcționa doar la temperaturi foarte scăzute. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că aceste probleme sunt temporare și pot fi depășite în etapele următoare ale cercetării.

În mod firesc, multe evoluții vor rămâne naște moarte. La urma urmei, un prototip care lucrează într-un mediu de laborator este un lucru, iar pe drumul spre comercializarea tehnologiei există întotdeauna multe dificultăți, și nu numai pur tehnice, ci și materiale. În orice caz, lucrările existente inspiră oarecare optimism și sunt destul de educative.

Procesoare

Acum să visăm la viitorul de carbon pentru procesoare. Giganții industriei procesoarelor caută în mod activ noi modalități de a extinde Legea Gordon Moore și, în fiecare an, le devine mai dificil. Reducerea dimensiunii elementelor semiconductoare și a densității uriașe a plasării lor pe un cip de fiecare dată reprezintă o sarcină foarte dificilă de reducere a curenților de scurgere. Principalele direcții de rezolvare a unor astfel de probleme sunt căutarea de noi materiale pentru utilizare în dispozitivele semiconductoare și schimbările în însăși structura acestora.

După cum probabil știți, IBM și Intel au anunțat recent, aproape simultan, utilizarea de noi materiale pentru a crea tranzistori pentru următoarea generație de procesoare. Ca dielectric de poartă în loc de dioxid de siliciu, au fost propuse materiale cu o constantă dielectrică ridicată (high-k) pe bază de hafniu. Când electrodul de poartă este creat, siliciul va fi deplasat de aliajele metalice.

După cum puteți vedea, chiar și astăzi există o înlocuire treptată a siliciului și a materialelor bazate pe acesta cu compuși mai promițători. Multe companii se gândesc de mult timp să înlocuiască siliciul. Unul dintre cei mai mari sponsori proiecte de cercetareîn domeniul nanotuburilor de carbon și al grafenului sunt IBM și Intel.

La sfârșitul lunii martie a anului trecut, o echipă de cercetători de la IBM și două universități din Florida și New York a anunțat crearea primului circuit integrat electronic complet bazat pe un singur nanotub de carbon. Acest model are de cinci ori grosimea unui păr uman și poate fi observat doar printr-un microscop electronic puternic.

Cercetătorii IBM au reușit să atingă viteze de aproape un milion de ori mai rapide decât cele obținute anterior cu proiecte cu mai multe nanotuburi. Deși aceste viteze sunt încă sub cele cu care funcționează cipurile moderne de siliciu, oamenii de știință IBM sunt încrezători că noile procese nanotehnologice vor debloca în cele din urmă potențialul enorm al electronicii cu nanotuburi de carbon.

Potrivit profesorului Joerg Appenzeller, generatorul de inele pe bază de nanotuburi creat de cercetători este un instrument excelent pentru studierea caracteristicilor elementelor electronice de carbon. Ring Oscillator - Un circuit folosit de producătorii de cipuri pentru a testa capacitățile noilor procese de fabricație sau materiale. Această diagramă ajută la prezicerea modului în care noile tehnologii se vor comporta în produsele finite.

Intel își desfășoară cercetările privind posibila utilizare a nanotuburilor de carbon în procesoare de o perioadă relativ lungă de timp. Amintiți-vă că Intel nu este indiferent față de nanotuburi, a făcut recent Simpozionul pentru Societatea Americană a Vidului, care a discutat activ despre ultimele realizări ale companiei în acest domeniu.

Apropo, a fost deja dezvoltat un prototip de cip, în care nanotuburile de carbon sunt folosite ca interconexiuni. După cum se știe. trecerea la standarde mai precise implică o creștere a rezistenței electrice a conductorilor de legătură La sfârșitul anilor 1990, producătorii de cipuri au trecut la utilizarea conductorilor de cupru în locul celor din aluminiu. Dar deja intră anul trecut chiar și cuprul nu mai satisface producătorii de procesoare și, treptat, pregătesc un înlocuitor pentru el.

Unul dintre domeniile promițătoare este utilizarea nanotuburilor de carbon. Apropo, așa cum am menționat la începutul articolului, nanotuburile de carbon nu numai că au o conductivitate mai bună în comparație cu metalele, dar pot juca și rolul de semiconductori. Astfel, posibilitatea în viitor de a înlocui complet siliciul în procesoare și alte microcircuite și de a crea cipuri realizate în întregime din nanotuburi de carbon este văzută ca fiind reală.

Pe de altă parte, este prea devreme pentru a „îngropa” siliciul. În primul rând, înlocuirea completă a siliciului cu nanotuburi de carbon în microcircuite este puțin probabil să aibă loc în următorul deceniu. Și acest lucru este remarcat chiar de autorii dezvoltărilor de succes. În al doilea rând, siliciul are perspective. Pe lângă nanotuburile de carbon, siliciul are și șansa de a-și asigura un viitor în nanoelectronică – sub formă de nanofire de siliciu, nanotuburi, nanodoturi și alte structuri, care sunt, de asemenea, subiect de studiu în multe laboratoare de cercetare.

Postfaţă

În concluzie, aș dori să adaug că acest articol a reușit să acopere doar o foarte mică parte din ceea ce se întâmplă în prezent în domeniul nanoelectronicii cu carbon. Mințile strălucitoare continuă să inventeze tehnologii sofisticate, dintre care unele, poate, vor deveni fundamentul electronicii viitorului. Unii sunt înclinați să creadă că nanoroboții, afișajele transparente, televizoarele care pot fi rulate într-un tub subțire și alte dispozitive uimitoare rămân ficțiune și vor deveni realitate doar într-un viitor foarte îndepărtat. Dar o serie de studii uimitoare deja astăzi ne fac să credem că toate acestea nu sunt perspective atât de îndepărtate.

În plus, pe lângă nanotuburile de carbon și grafenul discutate în acest articol, au loc descoperiri uimitoare în electronica moleculară. Se desfășoară cercetări interesante în domeniul comunicării dintre lumea biologică și cea a siliciului. Există multe perspective pentru dezvoltarea industriei computerelor. Și probabil nimeni nu se va angaja să prezică ce se va întâmpla peste 10-15 ani. Un lucru este clar: mai sunt multe descoperiri interesante și dispozitive uimitoare în fața noastră.

Sursele de informații folosite la redactarea articolului

• [email protected] ()
• PhysOrg.com ()))
• Cercetare IBM ()
• K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov. „Efectul câmpului electric în filmele de carbon subțiri din punct de vedere atomic”
• K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov și A.K. Geim „Cristale atomice bidimensionale”
• Quanshui Zheng, Qing Jiang. „Nanotuburi de carbon cu pereți multipli ca oscilatoare Gigahertz”

Nanotuburi de carbon cu un singur perete au fost descoperite în 1993. Două articole au fost publicate simultan într-un număr al revistei Natură, în care cercetătorii din Japonia Ichihashi și Sumio Iijima, precum și oamenii de știință de la IBM au publicat rezultate privind posibilitatea sintetizării nanotuburilor de carbon cu un singur perete folosind catalizatori metalici. Nanotuburile de carbon sunt campioni, deținători de recorduri printre alte materiale.

Luați în considerare proprietățile fizice. Conductivitate. Conductivitatea electrică a nanotuburilor de carbon este mult mai mare decât cea a cuprului și argintului. În plus, conductivitatea balistică este observată la o distanță de câțiva micrometri. Pe de altă parte, nanotuburile de carbon sunt un material semiconductor minunat care poate rivaliza cu siliciul în performanță. Folosind nanotuburi de carbon cu un singur perete, este posibil să se obțină tranzistori în care mobilitatea purtătorilor de sarcină depășește semnificativ mobilitatea în tranzistoarele tradiționale de siliciu. În plus, nanotuburile cu un singur perete fac posibilă obținerea de tranzistori pe substraturi flexibile și transparente. Nanotuburile de carbon cu un singur perete au proprietăți termice remarcabile, mai bune decât cele ale diamantului: conductivitatea termică în tuburi este de aproximativ 2 ori mai mare. În plus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt un emițător eficient de electroni reci.

Stabilitatea termică a nanotuburilor de carbon este destul de ridicată: este posibil, fără teamă de distrugere, să le încălziți până la 1500 de grade Celsius, în timp ce principalul lor competitor - conductorii organici - încep să se prăbușească deja la o temperatură de aproximativ 150 de grade Celsius. Nanotuburile de carbon sunt materiale foarte ușoare. Pe de altă parte, au o rezistență specifică ridicată - de 25 de ori mai mare decât cea a oțelului de înaltă rezistență. Acesta este aproape singurul material din care ar fi posibil să se creeze un ascensor spațial, conectând un satelit care se rotește pe o orbită geostaționară cu Pământul, sub forma unui cablu, pe care ar fi posibilă ridicarea sarcinilor în spațiu. Adăugarea de nanotuburi de carbon la polimeri face posibilă obținerea de compozite în care proprietățile mecanice se modifică și se obțin materiale compozite foarte puternice la care variază și conductibilitatea electrică. Dacă materialul este acoperit cu un strat de nanotuburi de carbon, atunci se poate obține un strat care va proteja și va proteja materialul de undele electromagnetice.

Ce se poate spune despre aplicațiile energetice: nanotuburile de carbon pot fi folosite ca anod în bateriile cu litiu, ca supercondensatori și, în plus, sunt celule eficiente în celulele solare - pe coloranți, precum și pe heterojoncțiuni în care stratul π de siliciu are au fost înlocuite nanotuburi cu un singur perete. În plus, este posibil să se realizeze diverși senzori de gaz și optici dintr-o gamă spectrală destul de largă din nanotuburi de carbon. Nanotuburile de carbon pot fi folosite ca electrozi și tranzistori transparenți. Aș vrea să vorbesc despre asta puțin mai detaliat, dar mai târziu.

Aș dori să vorbesc despre conductivitatea nanotuburilor de carbon. După cum am spus, nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt atât un bun conductor de metal, cât și un semiconductor minunat. Tipul de conductivitate este determinat de grupul de simetrie. Dacă cunoaștem indicii de chiralitate, atunci putem prezice proprietățile metalice ale nanotubului de carbon. Dacă diferența dintre acești indici este egală cu 0 sau cu un multiplu de 3, obținem nanotuburi de carbon, care au proprietăți metalice, în timp ce toate celelalte nanotuburi vor fi semiconductoare. Este evident că 1/3 din nanotuburile de carbon sunt metalice și 2/3 sunt semiconductoare. Din păcate, niciuna dintre metodele existente în prezent nu permite sinteza nanotuburilor de carbon cu o anumită chiralitate. Ce să spunem despre chiralitate - este imposibil să obțineți nanotuburi de carbon chiar și cu o anumită metalitate.

Conform metodelor de atomizare a carbonului, toate metodele pentru sinteza nanotuburilor de carbon pot fi împărțite în fizice și chimice. Metoda fizică se bazează pe evaporarea și sublimarea carbonului. Știm că grafitul are o presiune foarte scăzută vapori saturati, prin urmare, pentru a vaporiza grafitul, acesta trebuie încălzit la o temperatură peste 3000 Kelvin. Acest lucru se poate face folosind energie solară, încălzire prin inducție, ablație cu laser sau descărcare cu arc electric. Această metodă a fost foarte populară în zorii cercetărilor asupra nanotuburilor de carbon; totuși, temperaturile ridicate, din păcate, nu permit controlul proprietăților materialului obținut. Prin urmare, în ultimii ani, a existat tendința de a studia nanotuburile de carbon cu un singur perete - mai precis, metodele de producere a acestora - prin metode chimice. Această metodă se bazează pe descompunerea compușilor de carbon - aceștia pot fi hidrocarburi, alcooli, cetone, orice materie organică, monoxid de carbon.

La rândul meu, aș împărți metodele chimice în sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi și în fază gazoasă. Sinteza nanotuburilor de carbon pe substraturi este cea mai comună metodă. Vă permite să obțineți nanotuburi de carbon: puteți lua un substrat inert, puteți forma nanoparticule de catalizator pe el, puteți plasa un astfel de substrat într-un reactor pentru un anumit timp (de obicei 5, 10, 20 sau 30 de minute) și apoi să vă bucurați de imaginile obținute pe substratul tău într-un microscop electronic... Pe de altă parte, metoda aerosolului nu se bazează pe utilizarea unui substrat, iar toate procesele de formare a nanotuburilor de carbon au loc în faza gazoasă. Aici se observă o limitare serioasă de timp, deoarece între intrarea și ieșirea aburului în reactor trec aproximativ 10-12 secunde. În acest timp, totul ar trebui să se întâmple: descompunerea precursorului - catalizator (de obicei astfel de metode folosesc fie pentacarbonil de fier, fie ferocen), apoi formarea particulelor catalitice de mărime nanometrică, de la 1 la 5 nanometri, descompunerea sau descompunerea componentelor de carbon pe suprafața catalizatorului și creșterea nanotuburilor de carbon... Totul are 12 secunde.

Metoda cu aerosoli pentru studierea nanotuburilor de carbon a fost propusă pentru prima dată în 1999 la Universitatea din Houston. Și eu sunt implicat în sinteza nanotuburilor de carbon prin metoda aerosolilor de aproximativ 13 ani. Consider că această metodă este cea mai promițătoare dintre toate, deoarece permite obținerea de nanotuburi de carbon de înaltă calitate, fără particule catalitice neutilizate, fără carbon amorf, adică un produs care, la ieșirea din reactor, este gata de utilizare pe scară largă. După reactor, nanotuburi de carbon sunt depuse pe un filtru. Ele pot fi apoi transferate pe orice alt substrat. Acest proces durează literalmente câteva secunde, dar vă permite să obțineți foarte rapid electrozi transparenți de înaltă calitate.

În munca noastră, am folosit nanotuburi de carbon în multe domenii, de la filtre la electronice. Aici sunt cateva exemple. Filtre de aerosoli. Un flux de gaz care conține particule de aerosoli de care dorim să scăpăm trece printr-o peliculă de nanotuburi de carbon destul de ușor, fără a crea rezistență. În plus, nanoporii pot filtra practic toate obiectele. Am măsurat caracteristicile unui astfel de filtru și am constatat că factorul Q al filtrelor realizate din nanotuburi de carbon cu un singur perete este cu un ordin de mărime mai mare decât cel al analogilor comerciali disponibili. În plus, am folosit nanotuburi de carbon ca senzori electrochimici - testarea standard a dopaminei ne-a permis să determinăm un nivel de sensibilitate mai mic de 100 de milinoli pe o gamă destul de largă - aproximativ 4 ordine de mărime în concentrație. Filmul cu nanotuburi de carbon este un excelent absorbant laser care produce impulsuri de 200 de femtosecunde. În plus, nanotuburile de carbon pot fi folosite ca debitmetru, încălzitor de aer, lampă cu incandescență și alte dispozitive. Am creat, printre altele, un difuzor termoacustic folosind nanotuburi de carbon suspendate liber. În plus, electrozii transparenți au proprietăți remarcabile, care cred că vor apărea în curând pe piață, deoarece electrozii transparenți bazați pe nanotuburi de carbon cu un singur perete au caracteristici remarcabile comparabile cu oxidul de indiu dopat cu staniu.

Nanotuburile de carbon cu un singur perete pot și vor fi folosite cel mai probabil în electronică ca electrozi transparenți. În engleză se numește ITO-înlocuire- un înlocuitor al oxidului de indiu dopat cu staniu, un material care este folosit în 75% dintre telefoanele mobile și gadgeturi. Se știe că indiul este un material de pământuri rare; în plus, oxidul de indiu dopat cu staniu este un material destul de fragil, care nu poate fi folosit pentru electronice flexibile și transparente, în timp ce nanotuburile de carbon cu un singur perete, sau mai degrabă peliculele realizate din acestea, pot fi îndoit în zeci de mii de ori, practic fără nicio modificare a rezistenței la suprafață. În plus, materialul nostru poate fi folosit pentru a realiza tranzistoare cu efect de câmp cu film subțire, care au caracteristici remarcabile la nivelul tehnologiilor tradiționale cu siliciu și, uneori, chiar le depășesc, cu un raport de curent pornit-oprit de 106 și 108 și o încărcare. mobilitatea transportatorului de ordinul a 1000 de centimetri pătrați sau mai mult pe volt.pentru o secundă.

Metoda aerosolului pentru sinteza nanotuburilor de carbon si prepararea peliculelor depuse pe filtru reprezinta o oportunitate unica pentru pregatirea componentelor pentru electronica flexibila si transparenta. Precipitațiile au loc la temperatura camerei, această tehnologie nu necesită vid, este destul de rapidă și ieftină. Scopul nostru este de a crea o producție la scară largă de nanotuburi de carbon cu posibilitatea de a folosi tehnologia ruloului pentru utilizarea în electronice flexibile și transparente.

Energia este o industrie importantă care joacă un rol important în viața umană. Starea energetică dintr-o țară depinde de munca multor oameni de știință din industrie. Astăzi ei sunt angajați în căutarea În aceste scopuri, sunt gata să folosească orice, de la lumina soarelui și apă, terminând cu energia aerului. Echipamentele care sunt capabile să genereze energie din mediu sunt foarte apreciate.

Informații generale

Nanotuburile de carbon sunt plane de grafit laminate alungite care au o formă cilindrică. De regulă, grosimea lor ajunge la câteva zeci de nanometri, cu o lungime de câțiva centimetri. La capătul nanotuburilor se formează un cap sferic, care este una dintre părțile fullerenei.

Există astfel de tipuri de nanotuburi de carbon: metalice și semiconductoare. Principala lor diferență este conductivitatea curentului. Primul tip poate conduce curentul la o temperatură egală cu 0 ° C, iar al doilea - numai la temperaturi ridicate.

Nanotuburi de carbon: proprietăți

Cele mai multe domenii moderne, cum ar fi chimia aplicată sau nanotehnologia, sunt asociate cu nanotuburi, care au o structură de schelet de carbon. Ce este? Această structură este înțeleasă ca însemnând molecule mari conectate numai prin atomi de carbon. Nanotuburile de carbon, ale căror proprietăți se bazează pe o carcasă închisă, sunt foarte apreciate. În plus, aceste formațiuni au o formă cilindrică. Astfel de tuburi pot fi obținute prin rularea unei foi de grafit sau pot fi crescute dintr-un catalizator specific. Nanotuburile de carbon, ale căror fotografii sunt prezentate mai jos, au o structură neobișnuită.

Ele vin într-o varietate de forme și dimensiuni: cu un singur strat și cu mai multe straturi, drepte și sinuoase. În ciuda faptului că nanotuburile arată destul de fragile, acestea sunt un material dur. Ca rezultat al multor studii, s-a constatat că au proprietăți precum întinderea și îndoirea. Sub acțiunea unor sarcini mecanice grave, elementele nu se rup sau nu se sparg, adică se pot adapta la diferite tensiuni.

Toxicitate

Ca urmare a numeroaselor studii, s-a constatat că nanotuburile de carbon pot provoca aceleași probleme ca fibrele de azbest, adică apar diverse tumori maligne, precum și cancer pulmonar. Gradul de influență negativă a azbestului depinde de tipul și grosimea fibrelor acestuia. Deoarece nanotuburile de carbon sunt mici ca greutate și dimensiune, ele pătrund cu ușurință în corpul uman împreună cu aerul. Mai departe, ele intră în pleura și intră în piept, iar în timp provoacă diverse complicații. Oamenii de știință au efectuat un experiment și au adăugat particule de nanotuburi în hrana șoarecilor. Produsele cu diametru mic practic nu au zăbovit în organism, dar cele mai mari au săpat în pereții stomacului și au provocat diverse boli.

Metode de obținere

Astăzi, există următoarele metode de producere a nanotuburilor de carbon: încărcare cu arc, ablație, depunere din fază gazoasă.

Descărcarea arcului electric. Obținerea (nanotuburile de carbon sunt descrise în acest articol) într-o plasmă a unei sarcini electrice care arde cu ajutorul heliului. Acest proces poate fi realizat folosind echipamente tehnice speciale pentru producerea de fulerene. Dar cu această metodă, sunt utilizate și alte moduri de ardere a arcului. De exemplu, scade și se folosesc și catozi de grosimi uriașe. Pentru a crea o atmosferă de heliu, este necesar să creșteți presiunea acestuia element chimic... Nanotuburile de carbon sunt produse prin pulverizare. Pentru a crește numărul lor, este necesar să se introducă un catalizator în tija de grafit. Cel mai adesea este un amestec de diferite grupuri de metale. În plus, există o schimbare a presiunii și a metodei de pulverizare. Astfel, se obține un depozit catodic, unde se formează nanotuburi de carbon. Produsele finite cresc perpendicular de catod și sunt colectate în mănunchiuri. Au 40 de microni lungime.

Ablația. Această metodă a fost inventată de Richard Smully. Esența sa este de a vaporiza diferite suprafețe de grafit într-un reactor care funcționează la temperaturi ridicate. Nanotuburile de carbon se formează prin vaporizarea grafitului în partea de jos a reactorului.

Acestea sunt răcite și colectate folosind o suprafață de răcire. Dacă în primul caz, numărul de elemente a fost de 60%, atunci cu această metodă cifra a crescut cu 10%. Costul metodei de ablație cu laser este mai scump decât toate celelalte. De regulă, nanotuburile cu un singur perete sunt obținute datorită unei modificări a temperaturii de reacție.

Depunerea din faza gazoasa. Depunerea de vapori de carbon a fost inventată la sfârșitul anilor 1950. Dar nimeni nici măcar nu și-a imaginat că ar putea fi folosit pentru a produce nanotuburi de carbon. Deci, mai întâi trebuie să pregătiți o suprafață cu un catalizator. Poate servi ca particule mici de diferite metale, de exemplu, cobalt, nichel și multe altele. Nanotuburile încep să iasă din patul de catalizator. Grosimea lor depinde direct de dimensiunea metalului catalizator. Suprafața este încălzită la temperaturi ridicate și apoi este furnizat un gaz care conține carbon. Printre acestea - metan, acelene, etanol etc. Amoniacul servește ca un gaz tehnic suplimentar. Această metodă de producere a nanotuburilor este cea mai răspândită. Procesul în sine are loc în diferite întreprinderi industriale, datorită cărora sunt cheltuite mai puține resurse financiare pentru fabricarea unui număr mare de țevi. Un alt avantaj al acestei metode este că elementele verticale pot fi formate din orice particule de metal care servesc drept catalizator. Producția (nanotuburile de carbon sunt descrise din toate părțile) a devenit posibilă datorită cercetărilor lui Suomi Iijima, care a observat la microscop aspectul lor ca urmare a sintezei carbonului.

Principalele tipuri

Elementele de carbon sunt clasificate după numărul de straturi. Cel mai simplu tip sunt nanotuburile de carbon cu un singur perete. Fiecare dintre ele are aproximativ 1 nm grosime, iar lungimea lor poate fi mult mai mare. Dacă luăm în considerare structura, atunci produsul arată ca o înveliș de grafit folosind o plasă hexagonală. În vârful ei sunt atomi de carbon. Astfel, tubul are forma unui cilindru, care nu are cusături. Partea superioară a dispozitivelor este închisă cu capace constând din molecule de fullerenă.

Următorul tip este nanotuburi de carbon multistrat. Ele constau din mai multe straturi de grafit, care sunt stivuite în formă de cilindru. Între ele se menține o distanță de 0,34 nm. Acest tip de structură este descris în două moduri. Potrivit primei, tuburile multistrat sunt mai multe tuburi cu un singur strat imbricate unul în celălalt, care arată ca o păpușă de cuib. Potrivit celui de-al doilea, nanotuburile multistrat sunt o foaie de grafit, care este înfășurată în jurul ei de mai multe ori, care arată ca un ziar rulat.

Nanotuburi de carbon: aplicații

Elementele sunt un reprezentant absolut nou al clasei de nanomateriale.

După cum am menționat mai devreme, au o structură cadru care diferă ca proprietăți de grafit sau diamant. De aceea sunt folosite mult mai des decât alte materiale.

Datorită caracteristicilor precum rezistența, încovoierea, conductivitatea, acestea sunt utilizate în multe domenii:

• ca aditivi la polimeri;
• un catalizator pentru dispozitive de iluminat, precum și pentru afișaje și tuburi cu ecran plat din rețelele de telecomunicații;
• ca absorbant al undelor electromagnetice;
• pentru conversia energiei;
• fabricarea de anozi în diferite tipuri de baterii;
• stocarea hidrogenului;
• fabricarea de senzori si condensatori;
• producerea compozitelor și îmbunătățirea structurii și proprietăților acestora.

De mulți ani, nanotuburile de carbon, a căror utilizare nu se limitează la o anumită industrie, au fost utilizate în cercetare științifică... Un astfel de material are o poziție slabă pe piață, deoarece există probleme cu producția la scară largă. O alta punct important este costul ridicat al nanotuburilor de carbon, care este de aproximativ 120 USD per gram de astfel de substanță.

Sunt folosite ca bază pentru producerea multor compozite, care sunt folosite pentru fabricarea multor articole sportive. O altă industrie este cea a automobilelor. Funcționalizarea nanotuburilor de carbon în acest domeniu se reduce la dotarea polimerilor cu proprietăți conductoare.

Coeficientul de conductivitate termică al nanotuburilor este suficient de mare, astfel încât acestea pot fi folosite ca dispozitiv de răcire pentru diferite echipamente masive. Ele sunt, de asemenea, folosite pentru a face vârfuri care sunt conectate la tuburile sondei.

Cel mai important domeniu de aplicare este tehnologia computerelor. Datorită nanotuburilor, sunt create afișaje extrem de plate. Cu ajutorul lor, puteți reduce semnificativ dimensiunile totale ale computerului în sine, precum și puteți crește performanțele tehnice ale acestuia. Echipamentul finit va fi de câteva ori superior tehnologiilor actuale. Pe baza acestor studii, pot fi create tuburi de imagine de înaltă tensiune.

În timp, tuburile vor fi folosite nu numai în electronică, ci și în sectoarele medical și energetic.

Productie

Țevile de carbon, a căror producție este distribuită între cele două tipuri, sunt distribuite neuniform.

Adică, MWNT-urile sunt fabricate mult mai mult decât SWNT-urile. Al doilea tip se face în caz de nevoie urgentă. Diverse firme produc în mod constant nanotuburi de carbon. Dar practic nu sunt solicitate, deoarece costul lor este prea mare.

Lideri de producție

Astăzi, primul loc în producția de nanotuburi de carbon este ocupat de țările din Asia, care sunt de 3 ori mai mari decât în ​​alte țări din Europa și America. În special, Japonia este angajată în fabricarea MWNT. Dar alte țări, precum Coreea și China, nu sunt în niciun caz inferioare în acest indicator.

Producție în Rusia

Producția internă de nanotuburi de carbon rămâne semnificativ în urma altor țări. De fapt, totul depinde de calitatea cercetării în acest domeniu. Nu sunt suficiente fonduri alocate pentru crearea de centre științifice și tehnologice în țară. Mulți oameni nu acceptă evoluțiile în domeniul nanotehnologiei, deoarece nu știu cum poate fi folosit în industrie. Prin urmare, tranziția economiei pe o nouă cale este destul de dificilă.

Prin urmare, președintele Rusiei a emis un decret indicând căile de dezvoltare zone diferite nanotehnologie, inclusiv elemente de carbon. În aceste scopuri, a fost creat un program special de dezvoltare și tehnologie.

Pentru a îndeplini toate punctele comenzii a fost creată firma „Rosnanotech”. O sumă substanțială a fost alocată de la bugetul de stat pentru funcționarea acestuia. Ea este cea care trebuie să controleze procesul de dezvoltare, producție și introducere în sfera industrială a nanotuburilor de carbon. Suma alocată va fi cheltuită pentru crearea diferitelor institute și laboratoare de cercetare și va consolida, de asemenea, dezvoltările existente ale oamenilor de știință autohtoni. De asemenea, aceste fonduri vor fi folosite pentru achiziționarea de echipamente de înaltă calitate pentru producția de nanotuburi de carbon. De asemenea, merită să aveți grijă de acele dispozitive care vor proteja sănătatea umană, deoarece acest material provoacă multe boli.

După cum am menționat mai devreme, întreaga problemă este strângerea de fonduri. Majoritatea investitorilor nu doresc să investească în cercetare și dezvoltare, mai ales pentru o lungă perioadă de timp. Toți oamenii de afaceri vor să vadă un profit, dar nanodezvoltarea poate dura ani. Acesta este ceea ce respinge reprezentanții întreprinderilor mici și mijlocii. În plus, fără investiții de stat, nu va fi posibilă lansarea completă a producției de nanomateriale.

O altă problemă este lipsa unui cadru legal, deoarece nu există o legătură intermediară între diferitele etape ale afacerii. Prin urmare, nanotuburile de carbon, a căror producție nu este solicitată în Rusia, necesită investiții nu numai financiare, ci și mentale. Până acum, Federația Rusă este departe de țările asiatice, care sunt lider în dezvoltarea nanotehnologiei.

Astăzi, evoluțiile în această industrie sunt realizate la facultățile de chimie ale diferitelor universități din Moscova, Tambov, Sankt Petersburg, Novosibirsk și Kazan. Principalii producători de nanotuburi de carbon sunt Granat și uzina Komsomolets Tambov.

Laturile pozitive și negative

Printre avantaje se numără proprietățile speciale ale nanotuburilor de carbon. Sunt un material durabil care nu se deteriorează sub influența solicitărilor mecanice. În plus, funcționează bine pentru îndoire și întindere. Acest lucru este posibil datorită structurii cadru închis. Aplicarea lor nu se limitează la o singură industrie. Tuburile și-au găsit aplicații în industria auto, electronică, medicină și energie.

Dezavantajul uriaș este impactul negativ asupra sănătății umane.

Particulele de nanotuburi care intră în corpul uman conduc la tumori maligne și cancer.

Finanțarea acestei industrii este o parte esențială. Mulți oameni nu doresc să investească în știință, deoarece este nevoie de mult timp pentru a obține profit. Și fără funcționarea laboratoarelor de cercetare, dezvoltarea nanotehnologiei este imposibilă.

Concluzie

Nanotuburile de carbon joacă rol importantîn tehnologii inovatoare. Mulți experți prevăd creșterea acestei industrii în următorii ani. Va exista o creștere semnificativă a capacităților de producție, ceea ce va duce la o scădere a costului produsului. Odată cu scăderea prețului, tuburile vor fi la mare căutare și vor deveni un material indispensabil pentru multe dispozitive și echipamente.

Așadar, am aflat care sunt aceste produse.

Nanotuburile de carbon (CNT) sunt un material promițător care este planificat să fie utilizat într-o gamă largă de industrii - de la producția de biciclete până la microelectronică. Cu toate acestea, chiar și o încălcare minimă a structurii atomice a CNT-urilor duce la o scădere a puterii lor cu 50%. Acest lucru pune la îndoială posibilitatea de a construi un lift spațial dintr-un material bazat pe nanotuburi de carbon.

16.10.2015, Andrey Barabash 29

Este posibil ca o echipă de cercetători de la Universitatea Stanford să fi făcut o descoperire științifică care ar putea schimba viața persoanelor amputate. Oamenii de știință au dezvoltat un înlocuitor artificial de piele care poate simți atingerea și transmite această informație către sistemul nervos. O tehnologie similară poate fi folosită pentru a crea proteze futuriste care vor fi încorporate în sistemul nervos uman. În plus, această tehnologie va permite oamenilor nu numai să simtă atingerea, ci și să determine puterea acesteia.

Nanotuburile de carbon sunt viitorul tehnologiilor inovatoare. Producția și implementarea nanotubulenelor va îmbunătăți calitatea mărfurilor și produselor, reducându-le semnificativ greutatea și mărindu-le rezistența, precum și dotându-le cu noi caracteristici.

Ce sunt nanotuburile de carbon

Nanotuburile de carbon sau nanostructura tubulară (nanotubulene) sunt structuri cilindrice goale cu unul sau mai mulți pereți, create artificial în condiții de laborator, obținute din atomi de carbon și având proprietăți mecanice, electrofizice și fizice excepționale.

Nanotuburile de carbon sunt fabricate din atomi de carbon și au formă de tuburi sau cilindri. Sunt foarte mici (la scară nanometrică), cu diametrul de la unu la câteva zeci de nanometri și până la câțiva centimetri lungime. Nanotuburile de carbon sunt compuse din grafit, dar au alte caracteristici care nu sunt inerente grafitului. Ele nu există în natură. Originea lor este artificială. Corpul nanotuburilor este sintetic, creat de oameni independent de la început până la sfârșit.

Dacă te uiți la un nanotub mărit de un milion de ori, poți vedea un cilindru alungit, format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon la vârfurile lor. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub. Chiralitatea unui nanotub o determină caracteristici fizice si proprietati.

Mărit de un milion de ori, un nanotub este un cilindru alungit format din hexagoane echilaterale cu atomi de carbon în vârf. Acesta este un avion de grafit rulat într-un tub.

Chiralitatea este proprietatea unei molecule de a nu se combina în spațiu cu imaginea în oglindă.

Pentru a spune mai clar, chiralitate este atunci când îndoiți, de exemplu, o coală de hârtie uniform. Dacă este oblic, atunci aceasta este achiralitate. Nanotubulenele pot avea structuri unice sau multistrat. O structură multistrat nu este altceva decât câteva nanotuburi cu un singur perete, „îmbrăcate” unul câte unul.

Istoria descoperirilor

Data exactă a descoperirii nanotuburilor și a descoperitorului lor sunt necunoscute. Acest subiect este aliment pentru controverse și raționament, deoarece există multe descrieri paralele ale acestor structuri de către oameni de știință din diferite țări. Principala dificultate în identificarea descoperitorului constă în faptul că nanotuburile și nanofibrele, care se încadrează în câmpul vizual al oamenilor de știință, pentru o lungă perioadă de timp nu le-au atras atenția atentă și nu au fost investigate temeinic. Lucrările științifice existente demonstrează că posibilitatea de a crea nanotuburi și fibre din materiale care conțin carbon a fost teoretic permisă în a doua jumătate a secolului trecut.

Motivul principal pentru care studii serioase ale compușilor de carbon microni nu au fost efectuate de mult timp este că la acea vreme oamenii de știință nu aveau o bază științifică suficient de puternică pentru cercetare, și anume, nu existau echipamente capabile să mărească obiectul de studiu la măsura necesară și strălucind prin structura lor. ...

Dacă aranjam evenimentele privind studiul compușilor de nanocarbon în ordine cronologică, atunci primele dovezi cade în 1952, când oamenii de știință sovietici Radushkevich și Lukyanovich au atras atenția asupra structurii nanofibrelor formate în timpul descompunerii termice a monoxidului de carbon ( nume rusesc- oxid). Structura observată cu echipamentul microscopic electronic avea fibre cu un diametru de aproximativ 100 nm. Din păcate, lucrurile nu au mers mai departe decât remedierea nanostructurii neobișnuite și nu a urmat nicio cercetare ulterioară.

După 25 de ani de neglijare, din 1974, încep să ajungă în ziare informații despre existența unor structuri tubulare de dimensiuni micronice din carbon. Deci, un grup de oameni de știință japonezi (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) în timpul cercetărilor din 1974-1975. au fost prezentate publicului larg rezultatele unui număr de studii ale acestora, care au descris tuburi subțiri cu un diametru mai mic de 100 Å, care au fost obținute din vapori în timpul condensării. De asemenea, formarea structurilor goale cu o descriere a structurii și mecanismului de formare obținute în studiul proprietăților carbonului a fost descrisă de oamenii de știință sovietici de la Institutul de Cataliză al Filialei Siberiene a Academiei de Științe a URSS în 1977.

Å (Agström) este o unitate de măsură pentru distanțe egale cu 10−10 m. În sistemul SI, o unitate apropiată ca mărime de un angstrom este un nanometru (1 nm = 10 Å).

Fulerenele sunt molecule goale, sferice, sub forma unei mingi sau mingii de rugby.

Fulerenele sunt a patra modificare, necunoscută anterior, a carbonului, descoperită de chimistul și astrofizicianul englez Harold Kroto.

Și numai după ce a folosit cele mai noi echipamente în cercetările sale științifice, care fac posibilă examinarea în detaliu și strălucirea prin structura de carbon a nanotuburilor, omul de știință japonez Sumio Iijima a efectuat primele studii serioase în 1991, în urma cărora a fost posibil să se obțină experimental nanotuburi de carbon și să le studieze în detaliu. ...

În cercetările sale, profesorul Ijima, pentru a obține un prototip, a acționat asupra grafitului atomizat cu o descărcare cu arc electric. Prototipul a fost măsurat cu atenție. Dimensiunile sale au arătat că diametrul filamentelor (cadru) nu depășește câțiva nanometri, cu o lungime de la unu la câțiva microni. Studiind structura unui nanotub de carbon, oamenii de știință au descoperit că obiectul studiat poate avea de la unul la mai multe straturi constând dintr-o grilă hexagonală de grafit bazată pe hexagoane. În acest caz, capetele nanotuburilor seamănă structural cu o jumătate dintr-o moleculă de fullerenă tăiată în două.

La momentul studiilor de mai sus, existau deja lucrări ale unor oameni de știință atât de cunoscuți în domeniul lor precum Jones, L.A. Cernozatonsky, M.Yu. Kornilov, prezicând posibilitatea formării unei anumite forme alotropice de carbon, descriindu-i structura, proprietățile fizice, chimice și alte proprietăți.

Structura multistrat a unui nanotub nu este altceva decât mai multe nanotubulene cu un singur strat, „îmbrăcate” unul câte unul după principiul unei păpuși rusești.

Proprietăți electrofizice

Proprietățile electrofizice ale nanotuburilor de carbon se află în stadiul celui mai intens studiu de către comunitățile științifice din întreaga lume. Prin proiectarea nanotuburilor în anumite relații geometrice, este posibil să le conferim proprietăți conductoare sau semiconductoare. De exemplu, diamantul și grafitul sunt carbon, dar din cauza diferenței de structură moleculară, au proprietăți diferite și, în unele cazuri, opuse. Astfel de nanotuburi sunt numite metalice sau semiconductoare.

Nanotuburi care conduc curentul electric chiar și atunci când zero absolut temperaturile sunt metalice. Conductivitatea zero a curentului electric la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii, indică semnul unei nanostructuri semiconductoare.

Clasificarea principală este distribuită în funcție de metoda de rulare a planului de grafit. Metoda de rulare este desemnată prin două numere: „m” și „n”, care stabilesc direcția de rulare de-a lungul vectorilor rețelei de grafit. Proprietățile nanotuburilor depind de geometria de rulare a planului de grafit, de exemplu, unghiul de răsucire afectează direct proprietățile lor electrofizice.

În funcție de parametrii (n, m), nanotuburile sunt: ​​drepte (achirale), zimțate („fotoliu”), în zig-zag și spiralate (chirale). Pentru calcularea și planificarea conductibilității electrice se utilizează formula raportului parametrilor: (n-m) / 3.

Un număr întreg obținut în calcul indică conductivitatea unui nanotub de tip metal, iar un număr fracționar - unul semiconductor. De exemplu, toate tuburile de fotoliu sunt metalice. Nanotuburile de carbon de tip metal conduc un curent electric la zero absolut. Nanotubulenele de tip semiconductor au conductivitate zero la zero absolut, care crește odată cu creșterea temperaturii.

Nanotuburile cu un tip metalic de conductivitate pot transmite aproximativ un miliard de amperi pe centimetru pătrat. Cuprul, fiind unul dintre cei mai buni conductori metalici, este inferior nanotuburilor în acești indicatori de mai mult de o mie de ori. Când limita de conductivitate este depășită, are loc încălzirea, care este însoțită de topirea materialului și distrugerea rețelei moleculare. Acest lucru nu se întâmplă cu nanotubulene în condiții egale. Acest lucru se datorează conductivității lor termice foarte ridicate, care este de două ori mai mare decât a diamantului.

În ceea ce privește rezistența, nanotubulena lasă și alte materiale mult în urmă. Este de 5-10 ori mai puternic decât cele mai rezistente aliaje de oțel (1,28-1,8 TPa modulo Young) și are o elasticitate de 100 de mii de ori mai mare decât cauciucul. Dacă comparăm indicatorii de rezistență la tracțiune, atunci aceștia depășesc caracteristicile de rezistență similare ale oțelului de înaltă calitate de 20-22 de ori!

Cum obții ONU

Nanotuburile sunt produse prin metode la temperatură înaltă și la temperatură scăzută.

Metodele la temperatură ridicată includ ablația cu laser, tehnologia solară sau descărcarea cu arc electric. Procesul la temperatură joasă include depunerea chimică în vapori folosind descompunerea catalitică a hidrocarburilor, creșterea catalitică în fază gazoasă din monoxid de carbon, producția prin electroliză, tratamentul termic cu polimer, piroliza locală la temperatură joasă sau cataliză locală. Toate metodele sunt greu de înțeles, de înaltă tehnologie și foarte scumpe. Producția de nanotuburi poate fi asigurată doar de o întreprindere mare cu o bază științifică puternică.

Simplificat, procesul de producere a nanotuburilor din carbon prin metoda arcului este următorul:

O plasmă în stare gazoasă este injectată într-un reactor încălzit la o anumită temperatură cu o buclă închisă printr-un aparat de injecție. În reactor, în părțile superioare și inferioare, sunt instalate bobine magnetice, dintre care una este anodul, iar cealaltă este catodul. Un curent electric constant este furnizat bobinelor magnetice. Plasma din reactor este afectată de un arc electric, care este rotit de un câmp magnetic. Sub acțiunea unui arc de electroplasmă de înaltă temperatură de la suprafața anodului, care constă dintr-un material care conține carbon (grafit), carbonul se evaporă sau „se scurge” și se condensează pe catod sub formă de nanotuburi de carbon conținute în sediment. Pentru ca atomii de carbon să se condenseze la catod, temperatura din reactor este scăzută. Chiar scurta descriere Această tehnologie face posibilă evaluarea complexității și costului obținerii nanotubulenelor. Va dura mult timp până când procesul de producție și aplicare devine disponibil pentru majoritatea întreprinderilor.

Galerie foto: Schemă și echipamente pentru obținerea nanotuburilor din carbon

Instalatie pentru sinteza nanotuburilor de carbon cu un singur perete prin metoda arcului electric Instalare științifică de putere redusă pentru obținerea nanostructurii tubulare
Metodă de obținere la temperatură scăzută

Instalație pentru producția de nanotuburi lungi de carbon

Sunt toxice?

Categoric da.

În cursul cercetărilor de laborator, oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile de carbon au un efect negativ asupra organismelor vii. Acest lucru, la rândul său, confirmă toxicitatea nanotuburilor și din ce în ce mai puțini oameni de știință trebuie să se îndoiască de această problemă importantă.

Studiile au arătat că interacțiunea directă a nanotuburilor de carbon cu celulele vii duce la moartea acestora. În special nanotuburile cu un singur perete au activitate antimicrobiană puternică. Oamenii de știință au început să efectueze experimente pe o cultură pe scară largă a regnului bacteriilor (Escherichia coli) E-Coli. În procesul de cercetare s-au folosit nanotuburi cu un singur perete cu un diametru de 0,75 până la 1,2 nanometri. După cum au arătat experimentele, ca urmare a impactului nanotuburilor de carbon asupra unei celule vii, pereții celulari (membranele) sunt deteriorați mecanic.

Nanotuburile produse prin alte metode conțin o cantitate mare de metale și alte impurități toxice. Mulți oameni de știință presupun că însăși toxicitatea nanotuburilor de carbon nu depinde de morfologia lor, ci este direct legată de impuritățile conținute în ele (nanotuburi). Cu toate acestea, lucrările efectuate de oamenii de știință de la Yale în domeniul cercetării pe nanotuburi au arătat o concepție greșită a multor comunități. Astfel, bacteriile de Escherichia coli (E-Coli) aflate în procesul de cercetare au fost tratate cu nanotuburi de carbon cu un singur perete timp de o oră. Ca urmare majoritatea E-Coli a murit. Datele cercetării în domeniul nanomaterialelor au confirmat toxicitatea și efectele negative ale acestora asupra organismelor vii.

Oamenii de știință au ajuns la concluzia că nanotuburile cu un singur perete sunt cele mai periculoase, acest lucru se datorează raportului proporțional dintre lungimea unui nanotub de carbon și diametrul său.

Diverse studii referitoare la efectul nanotuburilor de carbon asupra organismului uman au condus oamenii de știință la concluzia că efectul este identic, ca și în cazul ingerării fibrelor de azbest în organism. Gradul de impact negativ al fibrelor de azbest depinde direct de dimensiunea acestora: cu cât este mai mic, cu atât impactul negativ este mai puternic. Și în cazul nanotuburilor de carbon, nu există nicio îndoială cu privire la efectul lor negativ asupra organismului. Intrând în corp împreună cu aerul, nanotubul se instalează în piept prin pleura, provocând astfel complicații grave, în special, tumori canceroase. Dacă pătrunderea nanotubulenelor în organism are loc prin alimente, atunci acestea se depun pe pereții stomacului și intestinelor, provocând diverse boli și complicații.

În prezent, oamenii de știință efectuează cercetări privind compatibilitatea biologică a nanomaterialelor și căutarea de noi tehnologii pentru producerea în siguranță a nanotuburilor de carbon.

Perspective

Nanotuburile de carbon au o gamă largă de aplicații. Acest lucru se datorează faptului că au o structură moleculară sub formă de cadru, permițându-le astfel să aibă proprietăți care diferă de diamant sau grafit. Datorită caracteristicilor lor distinctive (rezistență, conductivitate, îndoire) nanotuburile de carbon sunt folosite mai des în comparație cu alte materiale.

Această invenție a carbonului este utilizată în electronică, optică, inginerie mecanică etc. Nanotuburile de carbon sunt utilizate ca aditivi la diferiți polimeri și compozite pentru a spori rezistența compușilor moleculari. La urma urmei, toată lumea știe că rețeaua moleculară a compușilor de carbon are o putere incredibilă, mai ales în forma sa pură.

Nanotuburile de carbon sunt, de asemenea, utilizate în producția de condensatoare și diferite tipuri de senzori, anozi, care sunt necesari pentru fabricarea bateriilor, ca absorbant de unde electromagnetice. Acest compus de carbon este utilizat pe scară largă în fabricarea rețelelor de telecomunicații și a afișajelor cu cristale lichide. De asemenea, nanotuburile sunt folosite ca amplificator catalitic la fabricarea dispozitivelor de iluminat.

Aplicație comercială

Piaţă	Aplicație	Proprietăți ale compozițiilor pe bază de nanotuburi de carbon
Mașini	Piese ale sistemului de combustibil și conducte de combustibil (conectori, piese pompe, inele O, tuburi), părți exterioare ale caroseriei pentru electrovopsire (barele de protecție, carcase oglinzi, capace rezervor de combustibil)	Echilibru îmbunătățit al proprietăților în comparație cu negrul de fum, reciclabilitate pentru piesele mari, rezistență la deformare
Electronică	Instrumente și echipamente tehnologice, casete pentru napolitane semiconductoare, benzi transportoare, blocuri de legătură, echipamente pentru camere curate	Puritate îmbunătățită a amestecului în comparație cu fibra de carbon, controlul rezistivității suprafeței, prelucrabilitatea pentru turnarea pieselor subțiri, rezistența la deformare, echilibrul proprietăților, posibilități alternative ale compușilor plastici față de fibrele de carbon

Nanotuburile de carbon nu se limitează la aplicații specifice în diverse industrii. Materialul a fost inventat relativ recent și, prin urmare, este acum utilizat pe scară largă în dezvoltările și cercetările științifice din multe țări ale lumii. Acest lucru este necesar pentru un studiu mai detaliat al proprietăților și caracteristicilor nanotuburilor de carbon, precum și pentru stabilirea unei producții pe scară largă a materialului, deoarece în prezent ocupă o poziție destul de slabă pe piață.

Nanotuburile de carbon sunt folosite pentru a răci microprocesoarele

Datorită proprietăților lor conductoare bune, utilizarea nanotuburilor de carbon în inginerie mecanică ocupă o gamă largă. Acest material este folosit ca dispozitiv pentru unități de răcire cu dimensiuni masive. Acest lucru se datorează în primul rând faptului că nanotuburile de carbon au o conductivitate termică specifică ridicată.

Utilizarea nanotuburilor în dezvoltarea tehnologiei informatice joacă un rol important în industria electronică. Datorită utilizării acestui material, s-a stabilit producția pentru fabricarea de afișaje destul de plate. Acest lucru contribuie la eliberarea echipamentelor informatice de dimensiuni compacte, dar, în același timp, caracteristicile tehnice ale calculatoarelor electronice nu se pierd, ci chiar cresc. Utilizarea nanotuburilor de carbon în dezvoltarea tehnologiilor informatice și a industriei electronice va permite realizarea producției de echipamente care vor fi de câteva ori superioare în ceea ce privește specificatii tehnice analogi actuali. Pe baza acestor studii, sunt deja create kinescoape de înaltă tensiune.

Primul procesor de nanotuburi de carbon

Probleme de utilizare

Una dintre problemele utilizării nanotuburilor este efectul negativ asupra organismelor vii, ceea ce pune la îndoială utilizarea acestui material în medicină. Unii experți speculează că pot apărea riscuri nespuse în procesul de producere în masă a nanotuburilor de carbon. Adică, ca urmare a extinderii domeniilor de aplicare ale nanotuburilor, va fi nevoie de producția lor pe scară largă și, în consecință, va exista o amenințare pentru mediu.

Oamenii de știință propun să caute modalități de a rezolva această problemă prin aplicarea unor metode și metode mai ecologice pentru producerea de nanotuburi de carbon. De asemenea, sa sugerat ca producătorii acestui material să adopte o abordare serioasă a problemei „curățării” consecințelor tehnologiei procesului CVD, care, la rândul său, poate afecta creșterea costului produselor fabricate.

Fotografie cu impactul negativ al nanotuburilor asupra celulelor a) Celulele E. coli înainte de impactul nanotuburilor; b) celulele după expunerea la nanotuburi

V lumea modernă nanotuburile de carbon au o contribuție semnificativă la dezvoltarea tehnologiilor inovatoare. Experții prevăd o creștere a producției de nanotuburi în următorii ani și o scădere a prețurilor la aceste produse. Acest lucru, la rândul său, va extinde domeniul de aplicare al nanotuburilor și va crește cererea consumatorilor de pe piață.