Нанотрубки

В 1991 году японский ученый Сумио Ииджима (Sumio

Iijima) обнаружил цилиндрическую структурную форму на-

ноуглерода (Iijima, 1991), получившую впоследствии наиме-

нование «нанотрубка». В отличие от фуллеренов, поверхность

нанотрубок образуют лишь правильные шестиугольники

(Елецкий и Смирнов, 1995). Нанотрубки длиной до несколь-

ких микрометров и диаметром в несколько нанометров могут

состоять из одного или нескольких слоев, иметь открытые или

закрытые концы

Исследования и производство нанотрубок характеризу-

ются экспоненциальным ростом, так как эти объекты являют-

ся наиболее многообещающими «кирпичиками» большинства

современных наноматериалов (Золотухин, 1999). Технологии

синтеза нанотрубок во многом совпадают с технологиями син-

теза фуллеренов. Используют как продукты термической де-

струкции графита, так и сажу после сжигания тяжелых угле-

водородов. На сегодняшний день, промышленное производст-

во нанотрубок в мире уже достигло объема нескольких сотен

тонн в год, и это количество будет быстро возрастать со вре-

менем (Корецкая С. 2004; Evans, 2007).

На основе «простых» нанотрубок в последние годы нау-

чились получать и гораздо более сложные молекулярные кон-

струкции. Так, японские ученые изготовили наноуглеродный

«стручок» - нанотрубку, внутри которой находится цепочка

фуллеренов (Bandow et al., 2001). Области промышленного

или планируемого применения нанотрубок в производстве

материалов настолько разнообразны, что их простое перечис-

ление заняло бы несколько десятков страниц. Упомянем

лишь, что несколько лет назад космическое агентство США

NASA реанимировало свой амбициозный проект создания

«космического лифта» (Space Elevator) для доставки пассажи-

ров и грузов на космические станции (Pearson, 1975). Поводом

для этого послужили успехи в технологии изготовления

прочных канатов из углеродных нанотрубных композитов (Yu

et al., 2000). Композиты на основе нанотрубок в 2 раза легче

алюминия, в 100 раз прочнее стали. Для постройки космиче-

ского лифта (рисунок 1.8) необходим скрученный из углерод-

ных нанотрубок канат длиной 100 тыс. км. Ширина каната

около 1м при толщине в бумажный лист. Лифт физически

связан с поверхностью Земли (на морской платформе в рай-

оне экватора) и космической станцией на геостационарной

орбите или другим космическим объектом (например, Луной).

Он может использоваться для доставки на космическую стан-

цию космонавтов и различных грузов. По оценкам, транспор-

тировка грузов в Космос с использованием элеватора не будет

превышать 100 долл. за кг (на Шаттле – от 10 тыс. до 40 тыс.

долл. за кг). На первом этапе проекта, в 2002 г. NASA выде-

лило 500 тыс. долл. компании HighLift Systems, Inc. для раз-

работки концепции элеватора. На создание действующего

«космческого лифта» потребуется не менее 10 млрд. долл. До-

полнительная финансовая поддержка проекта может придти,

например, от компаний, заинтересованных в развитии кос-

мического туризма.

Рисунок 1.8 Принцип действия

«космического лифта» на основе

каната из нанотрубок.

Недавние исследования показали, что нанотрубки, как и

фуллерены, входят в состав природных нефтей и битумов

(Velasco-Santos et al., 2003). Были изучены образцы угольно-

нефтяной смеси, отобранной с глубины 5600 м из скважины

«Р1», эксплуатируемой нефтяной компанией PEMEX на юго-

восточном побережье Мексики. Плотность нефти составляла

32 градуса API (865,4 кг/м3), содержание асфальтенов – 2%,

содержание нерастворимых осадков – 3%. Осадки были отде-

лены путем центрифугирования и присутствие в их составе

нанотрубок было выявлено методами просвечивающей элек-

тронной микроскопии (ПЭМ) и спектроскопии рамановского

рассеяния.

На рисунке 1.9 приведено одно из ПЭМ-изображений, на

котором хорошо виден пучок нанотрубок с внешними диамет-

рами от нескольких единиц до нескольких десятков наномет-

ров. Длина некоторых трубок достигает 2 микрон. В отличие

от продуктов синтеза, на поверхностях природных нанотрубок

практически не присутствуют другие наноуглеродные части-

цы. В то же время характерная «полосатая» структура при-

родных нанотрубок свидетельствует о возможном захвате по-

добных частиц во внутренних полостях нанотрубок. Элемент-

ный анализ показал, что стенки нанотрубок состоят практи-

чески из чистого углерода, в то время как захваченные час-

тицы содержат заметные количества гетероатомов – Fe, S, Al,

O, Cu, Si.

Рисунок 1.9 Углеродные нанотрубки в

природной мексиканской нефти.

Дата добавления: 2014-01-04