Технологии

Ричард Смолли, ученый и профессор университета Райс, ответил на вопросы по поводу появления новых тенденций в области нанотехнилогий углеродных нанотрубок (CNT) на фоне прошедших недавно Конференции по полимерным нанокомпозитам, состоявшенйся в Университете Лихай, Пенсильвания, США, Конференции о нанокомпозитах за 2007 год, состоявшейся в Брюсселе, Бельгия, а также Конференции Нанополимеры 2007, состоявшейся в Берлине, Германия.

– В качестве введения расскажите нам, какие основы CNT должны понимать конечные пользователи и поставщики?
– Углеродные нанотрубки (CNT) представляют собой цилиндрические материалы, родственные фуллерену и изготовленные из углерода. Их диаметр измеряется на наноуровне. Углеродная нанотрубка была открыта в 1991 году д-ром Сумио Иидзима из корпорации NEC Corporation, она является пятой аллотропной модификацией углерода. Другими четырьмя базовыми формами углерода являются «алмаз», «графит», «некристаллический материал» (например, древесный уголь) и «молекулы фуллерена» (например, бакминстерфуллерен, состоящий из 60 молекул углерода, собранных в структуру в виде футбольного мяча), который был открыт 1985 году сэром Гарольдом Крото (Университет Сассекса), Ричардом Смолли (Университет Райс) и Робертом Керлом (Университет Райс).

Открытые в 1991 году нанотрубки были многослойными (MWNT), то есть представляли собой углеродные концентрические цилиндры сходной графитовой структуры, которые удерживаются вместе слабыми межмолекулярными силами. В 1993 году однослойные углеродные нанотрубки (SWNT) были независимо друг от друга открыты Сумио Иидзимой и, приблизительно в то же время, исследователями из корпорации IBM. MWNT обладают более слабыми свойствами, чем SWNT, и изучены не так хорошо вследствие более комплексной структуры.

Однако их легче производить, и они гораздо дешевле, поэтому более привлекательны для коммерческого применения. Материалы из углеродных нанотрубок обладают нестандартными электрическими и прочностными свойствами, а также вязкостью, что делает их потенциально применимыми в самых различных областях. Эти уникальные и многообещающие свойства привлекли внимание исследователей всего мира, что повлекло появление как научных, так и коммерческих проектов НИОКР.

 
Рисунок 2: Модели MWNT и SWNT.

– Каким образом неустойчивость структуры CNT можно превратить в электропроводность?
– Углеродные нанотрубки обладают множеством структур, которые различаются по длине, толщине, виду спирали или хиральности, а также по количеству слоев. Структуру SWNT лучше всего можно описать как лист графита (графен) толщиной в один атом, который создается из бензоидных гексагональных колец углеродных атомов, внедренных в бесшовный цилиндр. Графеновый лист можно внедрять различными способами, создавая при этом различные виды углеродных нанотрубок. К трем главным разновидностям относятся кресло с ручками, зигзаг и хиральная или ассиметрическая структура.

Несмотря на то, что CNT производятся практически из одного и того же графенового листа, их электрические характеристики различаются. Они действуют как металлы или полупроводники в зависимости от спиральности или хирального угла, который представляет собой угол между осью гексагональной структуры трубки и осью трубки. Когда графеновый лист внедряется вдоль так называемой линии зигзага, таким образом, что ось цилиндра становится параллельной линиям кресла, то большинство трубок будут «металлическими». С другой стороны, если листы внедрять в другом направлении, непараллельном линиям зигзага и кресла, то SWNT, скорее всего, приобретет свойства полупроводника.

Рисунок 3: Структуры SWNT.

– Какие из новых технологий смогут развить производство однослойных углеродных нанотрубок (SWNT)?
– Исследовательский центр AMES, входящий в структуру NASA, разрабатывает расширяемый реактор вертикального течения для контроля параметров роста углеродных нанотрубок, например, диаметра и свойств хиральности/электрических свойств. Реактор предназначен для недорогого производства углеродных нанотрубок более крупными сериями.

Параллельный поток предшественника катализатора (например, ферроцена) направляется в кварцевую трубу с предшественником углеводородного роста (например, метаном), при этом он проходит через многозональный нагреватель трубчатой печи.

Метод доставки предшественника катализатора, имеющий ключевое значение для нуклеации наночастиц катализатора, в настоящее время представляет собой выпаривание предшественника твердого металла в поток газа-носителя. В других итерациях будут изучаться различные методы, в том числе метод электрораспыления, у которого может быть дополнительное преимущество – зарядка наночастиц, предотвращающая агломерацию.

Также разрабатывается оптическая диагностика в потоке для контроля реактора в реальном времени при помощи рамановской спектроскопии и флуоресценции. Эти устройства диагностики обнаруживают и классифицируют нанотрубки на стадии первичного формирования до концентрации, а также наблюдают за процессом концентрации нанотрубок во время газовой фазы таким образом, что условия в реакторе можно отрегулировать для контроля скорости формирования нанотрубок, диаметров и хиральности. Эксперименты будут предназначены для оптимизации производства SWNT. Среди изучаемых параметров коэффициент скорости катализатора/углеводорода, пространственный профиль температур, температура в реакторе, установки электрораспыления, а также различные составы катализатора/углеводорода.

Рисунок 4: Расширяемый реактор вертикального течения для производства SWNT.

– Какие существуют области исследований, уникальные для углеродных нанотрубок с двойными стенками (DWNT)?
– Carbon Nanotechnologies, Inc. (CNI) выводит на рынок углеродные нанотрубки с двойными стенками (DWNT). Они производятся на расширенном опытном производственном участке компании. Поскольку поведение DWNT сходно с поведением SWNT, то у них имеются уникальные свойства, применимые в определенных областях.

Технология производства DWNT входит в комплект прав интеллектуальной собственности, разработанной лауреатом Нобелевской премии д-ром Ричардом Смолли. Она лицензируется Университетом Райс исключительно для CNI, которая начала экспериментальное производство SWNT после создания компании в 2000 году. С тех пор она расширила производсвенные мощности. Работая со своими клиентами, CNI определила, что у других углеродных нанотрубок малого диаметра, например DWNT, имеются определенные преимущества, которые используют некоторые конечные пользователи. Например, SWNT с диаметром 2 нанометра, не такая жесткая, как DWNT аналогичного диаметра. К тому же, существует возможность задействовать внешнюю трубку DWNT, а внутреннюю оставить нетронутой. В ответ на эти разработки CNI усовершенствовала процесс производства и расширила ассортимент продуктов, в который теперь входит DWNT и различные смеси, содержащие SWNT и DWNT.

SWNT и DWNT обладают исключительным свойством, которое заключается в их способности собираться в тросы, и, аналогично другим полимерным материалам, иметь кристаллические, полукристаллические и аморфные участки. Способность контролировать такие тросовые структуры становится важным атрибутом различных областей, а способность регулировать по необходимости диаметр и создавать смешанные структуры значительно расширяет набор свойств углеродных нанотрубок малого диаметра. CNI владеет более чем 100 выданных и ожидающих выдачи патентов, в которые включены более 4000 заявок. Компания установила эксклюзивные взаимоотношения с корпорацией Sumitomo Corporation с целью продвижения и распространения своих продуктов в Японии.

Таблица 1. Стандартные свойства углеродных нанотрубок-Carbon Nanotechnologies, Inc.

Любовь Олиферова,
по материалам www.specialchem4polymers.com