Смекни!
smekni.com

Методы получения нанотрубок (стр. 3 из 4)

Основной целью разработчиков компьютерной техники является уве­личение количества переключателей на чипе. Подход к этой проблеме за­ключается в использовании переклю­чателей меньшего размера, более гон­ких соединяющих их проводников и в более плотной упаковке элементов на чипе. Однако при использовании существующих переключателей и со­единяющих их металлических прово­дов на этом пути возникают некоторые трудности. При уменьшении попереч­ного сечения металлического, напри­мер, медного проводника увеличивает­ся его сопротивление, а, следователь­но, и выделяющееся при протекании тока тепло. Нагрев может достигать та­ких значений, при которых возникает опасность плавления или испарения проводников. Однако углеродные на­нотрубки диаметром 2 нм имеют чрез­вычайно низкое сопротивление, что позволяет пропускать по ним большие токи без существенного нагрева. Это дела­ет их пригодными в качестве соединительных проводов. Очень высокая тепло­проводность нанотрубок означает, что их можно использовать и в качестве тепло-отводов, позволяющих быстро уносить с чипа избыточное тепло.

Другой активно развиваемой идеей является создание компьютера из нанот­рубок. Компьютер был бы массивом параллельных нанотрубок на подложке. Над ними с небольшим промежутком располагался бы массив нанотрубок, пер­пендикулярных нижним. Каждая трубка соединялась бы с металлическим элект­родом. Эта идея схематически проиллюстрирована на рис. 5.22. Точки пересече­ния являлись бы переключателями компьютера. Когда трубки не касаются в точ­ке пересечения, переключатель выключен, так как сопротивление между ними велико. Во включенном состоянии трубки касаются друг друга, а сопротивление соединения мало. Управление состоянием включено/выключено может осуще­ствляться токами, текущими по трубкам. По оценкам исследователей на квадрат­ном сантиметре чипа можно разместить 1012 таких элементов. На современных процессорах Пентиум расположено около 10s переключателей. Скорость пере­ключения таких устройств оценочно должна быть в 100 раз выше, чем на нынеш­нем поколении интеловских чипов. В идеале хотелось бы иметь полупроводящую трубку внизу и металлическую наверху, тогда при контакте образуется переход ме­талл-полупроводник, пропускающий ток только в одном направлении. Такой пе­реход был бы выпрямителем.

5.5.3. Топливные элементы

Углеродные нанотрубки могут быть использованы в изготовлении батареек. Ли­тий, являющийся носителем заряда в некоторых батарейках, можно помещать внутрь нанотрубок. По оценкам, в трубке можно разместить один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим возможным использованием нанотру­бок является хранение в них водорода, что может быть использовано при кон­струировании топливных элементов как источников электрической энер­гии в будущих автомобилях. Топлив­ный элемент состоит из двух электро­дов и специального электролита, про­пускающего ионы водорода между ними, но не пропускающего электро­ны. Водород направляется на анод, где он ионизируется. Свободные электро­ны движутся к катоду по внешней це­пи, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и кислорода образу­ются молекулы воды- Такой системе необходим источник водорода. Одна из возможностей состоит в хранении во­дорода внутри углеродных нанотрубок. По существующим оценкам, для эф­фективного использования в этом ка­честве трубка должна поглощать 6,5% водорода по весу. В настоящее время в трубку удалось поместить только 4% водорода по весу.

Элегантный метод заполнения уг­леродных нанотрубок водородом со­стоит в использовании для этого элек­трохимической ячейки, показанной на рис. 5.23. Одностенные нанотрубки в форме листа бумаги составляют от-рицаетельный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(OH)2. Вода электролита разлагается с образо­ванием положительных ионов водоро­да (Н+), движущихся к отрицательному электроду из нанотрубок. Наличие связанного в трубках водорода опреде­ляется по падению интенсивности ра-мановского рассеяния, как показано на рис. 5.24, на котором представлены рамановские спектры материала до и по­сле того, как он был подвергнут вышеописанной электрохимической обработке.

5.5.4. Химические сенсоры

Установлено, что полевой транзистор, аналогичный показанному на рис. 5.21 и сделан­ный на полупроводящей хиральной нанотрубке, является чувствительным детектором раз­личных газов. Полевой транзистор помещался в сосуд емкостью 500 мл с выводами элект­ропитания и двумя клапанами для ввода и вывода газа, омывающего транзистор. Протека­ние газа, содержащего от 2 до 200 ppmN02, со скоростью 700 мл/мин на протяжении 10 минут привело к трехкратному повышению проводимости нанотрубки. На рис. 5.25 пока­зана вольтамперная характеристика транзистора до и после контакта с N02, демонстриру­ющая еще больший эффект. Эти данные получены при напряжении затвора, составлявшем 4 В. Такой эффект обусловлен тем, что при связывании N02 с нанотрубкой заряд перено­сится с нанотрубки на группу N02, увеличивая концентрацию дырок в нанотрубке и ее проводимость.

Частота одной из нормальных мод колебаний, имеющих очень сильную ли­нию в рамановском спектре, также очень чувствительна к присутствию посторон­них молекул на поверхности нанотрубки. Направление и величина смещения за­висят от типа молекулы на поверхности. Этот эффект также может лечь в основу новых химических газовых сенсоров на основе углеродных нанотрубок.

5.5.5. Катализ

Катализатором называется вещество, обычно металл или сплав, увеличивающее скорость протекания химической ре­акции. Для некоторых химических ре­акций углеродные нанотрубки являют­ся катализаторами. Например, показа­но, что многослойные нанотрубки со связанными с ними снаружи атомами рутения имеют сильный каталитичес­кий эффект на реакцию гидрогениза­ции коричного альдегида (С6Н5СН=СНСНО) в жидкой фазе по сравнению с эффектом того же руте­ния, находящегося на других углерод­ных субстратах. Также проводились хи­мические реакции и внутри углерод­ных нанотрубок, например восстановление оксида никеля NiO до металлического никеля и А1С13 до алю­миния. Поток газообразного водорода Н2 при 475°С частично восстанавливает Мо03 до Мо02 с сопутствующим образованием паров воды внутри многослой­ных нанотрубок. Кристаллы сульфида кадмия CdS образуются внутри нанотру­бок при реакции кристаллического оксида кадмия CdO с сероводородом (H2S) при 400°С.

5.5.6. Механическое упрочнение

Использование длинных углеродных волокон, таких как полиакрилнитрил, яв­ляется отработанной технологией увеличения прочности пластиковых компози­тов. Полиакрилнитрил имеет прочность на разрыв порядка 7 ГПа и диаметр 1 -10 микрон. Использование этих волокон для упрочнения требует разработки ме­тодов равномерного распределения и ориентирования их в нужном направлении в материале. Волокно должно выдерживать условия, возникающие при обработ­ке. Важными параметрами, определяющими эффективность упрочнения компо­зита такими волокнами, являются прочность волокна на разрыв и отношение его длины к диаметру, а также способность волокна к деформированию в матрице. Из-за высокой прочности на разрыв и большого отношения длина/диаметр угле­родные нанотрубки должны оказаться очень хорошим материалом для упрочне­ния композитов. В этой области уже проведена некоторая предварительная рабо­та. Так, в исследовательском центре корпорации Дженерал Моторз, показано, что добавка 11,5 весовых процентов многослойных углеродных нанотрубок диа­метром 0,2 микрона к полипропилену приводит к удвоению его прочности на разрыв. Исследования в Токийском Университете показали, что добавление 5 объемных процентов нанотрубок к алюминию также увеличивает прочность ма­териала на разрыв вдвое по сравнению с так же обработанным алюминием, но без армирования. Композиты получали горячим прессованием и горячей экструзи­ей. Алюминиевая пудра и углеродные нанотрубки смешивались и нагревались до температур выше 800 К в вакууме и затем сжимались стальными штампами. По­сле этого из расплава экструзией получали стержни. Эта работа очень важна тем, что в ней показано — углеродные нанотрубки можно ввести в алюминий, и при последующей обработке они остаются химически устойчивыми. Исследователи полагают, что получая более однородное распределение и лучшее упорядочива­ние по направлениям углеродных нанотрубок в материале можно достичь суще­ственного увеличения прочности на разрыв. Теоретические оценки показывают, что при оптимальной доле трубок в материале около 10 объемных процентов его прочность на разрыв должна увеличиться в шесть раз.