Автор: Пользователь скрыл имя, 05 Апреля 2012 в 10:22, реферат
Углеродные наноматериалы, к числу которых принадлежат фуллерены, фуллериты и нанотрубки, активно исследуются как уникальные объекты нанотехнологии. Свойства данного вида молекул необычны и во многом уникальны.
До недавнего времени считалось, что углерод может существовать лишь в двух формах – в виде графита и в виде алмаза. Но экспериментальные исследования последних лет поколебали эту уверенность. В 1985 г. Харольдом Крото и Ричардом Смоли была открыта ранее неизвестная форма углерода – фуллерены. Молекула фуллерена С60 представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников и шестиугольников с атомами углерода в вершинах
Несмотря на
такие специфические
Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.
В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science , где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова— де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.
Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть с теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.
4.1 Химические и биохимические сенсоры.
Углеродные нанотрубки обладают важным свойством – способностью изменять свою проводимость при адсорбции чужеродного атома или молекулы. Величина изменения проводимости зависит от числа адсорбированных атомов. Ленгмюр, исследуя явление адсорбции, установил, что число адсорбированных атомов определяется давлением, которые они создают в окружающей среде. В соответствии с уравнением состояния давление p определяется концентрацией атомов n в пространстве. Поэтому изменение проводимости нанотрубки можно использовать для определения концентрации химических веществ в пространстве, окружающем нанотрубку.
Это свойство можно усилить, применяя специальную обработку поверхности нанотрубки. В последнее время возникло направление, которое названо «ковалентной химией углеродных нанотубок». Это направление заключается в поиске и присоединении к УНТ радикалов, которые повышают чувствительность к измерению концентрации определенных веществ. Это направление опирается на то обстоятельство, что в образовании самой нанотрубки участвуют 3 электрона каждого атома углерода, а четвертый может установит химическую связь с присоединяемой молекулой. Этот процесс показан на рис. 7.
Рис. 7. Присоединение различных функциональных групп к УНТ
Присоединенные функциональные группы (радикалы) образуют своеобразную «шубу» у нанотрубки, которая реагирует на присоединение определенного чужого атома или молекулы. Подбирая состав «шубы», можно измерять концентрацию достаточно сложных молекул, в том числе ДНК.
4.2 Приборы на основе эмиссии электронов из углеродных нанотрубок
Явление выхода электронов из вещества в вакуум называется электронной эмиссией.
Хорошо известно явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что при нагреве твердого тела до высоких температур, превышающих 10000С, электроны в нем приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода, и могут выйти в вакуум. На основе термоэлектронной эмиссии изготавливались катоды электронных ламп, которые в течение многих десятилетий определяли развитие электроники.
Меньших энергетических затрат требует холодная эмиссия, при которой электрон выходит в вакуум за счет действия сильного электрического поля. Этот метод не был развит, так как требовал создания очень высоких электрических напряжений. Исследование электронных трубок позволило изменить ситуацию. Радиус одностенной углеродной нанотрубки составляет 0,7 нм. Это позволяет создавать близи конца такой трубки электрическое поле более 108 В/см. Энергии таких полей достаточно для выхода электрона в вакуум. Таким образом, эффективность полевой эмиссии электронов из нанотрубок обусловлена их малым диаметром и высокими электрическими полями на концах нанотрубок.
Рис. 8. Вакуумный источник света
С технологической точки зрения УНТ хороши тем, что имеют стабильные параметры и высокие плотности тока эмиссии. В дисплеях реализованы плотности эмиссионного тока более 500 мА/см2. Рекордсменами эмиссионных свойств являются одностенные трубки. Это связано с тем, что диаметр их существенно меньше многостенных, а напряженность поля растет обратно пропорционально радиусу острия.
Рассмотренные примеры применения электронных нанотрубок далеко не исчерпывают их потенциала. Интенсивно исследуется создание на основе УНТ суперконденсаторов, литиевых батарей и других приборов.
Ученые исследуют другие удивительные возможности применения УНТ. Например, матрицы из углеродных трубок способствуют заживлению травм головного мозга. Таким образом, углеродные структуры открывают широкое поле деятельность для людей с пытливым умом.
Литература