Потенциальные применения углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндры из одного или нескольких слоев графена (решетки). Диаметры одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) обычно составляют от 0,8 до 2 нм и от 5 до 20 нм соответственно, хотя диаметр МУНТ может превышать 100 нм. Длина УНТ варьируется от менее 100 нм до 0,5 м.

Отдельные стенки УНТ могут быть металлическими или полупроводниковыми в зависимости от ориентации решетки относительно оси трубки, которая называется киративностью . Площадь поперечного сечения МУНТ обеспечивает модуль упругости около 1 ТПа и прочность на разрыв 100 ГПа, что более чем в 10 раз выше, чем у любого промышленного волокна. МУНТ обычно являются металлическими и могут выдерживать токи силой до 10 ⁹ см ⁻² . SWNT могут демонстрировать теплопроводность 3500 Вт·м. ⁻¹ К ⁻¹ , превышающий аналогичный показатель у алмаза .

По состоянию на 2013 год превысило Производство углеродных нанотрубок несколько тысяч тонн в год, которые используются для хранения энергии, моделирования устройств, автомобильных деталей, корпусов лодок, спортивных товаров, фильтров для воды, тонкопленочной электроники, покрытий, приводов и электромагнитных экранов. Количество публикаций, связанных с ННТ, за последнее десятилетие выросло более чем в три раза, а темпы выдачи патентов также возросли. Большая часть продукции имела неорганизованную архитектуру. Организованные архитектуры УНТ, такие как «леса», нити и обычные листы, производились в гораздо меньших объемах. УНТ даже предлагались в качестве троса для предполагаемого космического лифта .

3D каркасы из углеродных нанотрубок

Недавно несколько исследований выявили перспективу использования углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для изготовления трехмерных макроскопических (> 1 мм во всех трех измерениях) полностью углеродных устройств. Лалвани и др. сообщили о новом методе термической сшивки, инициируемом радикалами, для изготовления макроскопических, отдельно стоящих, пористых, полностью углеродных каркасов с использованием одно- и многостенных углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков. Эти каркасы обладают макро-, микро- и наноструктурированными порами, а пористость можно адаптировать для конкретных применений. Эти трехмерные полностью углеродные каркасы/архитектуры могут быть использованы для изготовления накопителей энергии следующего поколения, суперконденсаторов, автоэмиссионных транзисторов, высокопроизводительного катализа, фотогальваники, а также биомедицинских устройств и имплантатов.

Биологические и биомедицинские исследования

Исследователи из Университета Райса и Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Брук показали, что добавление небольшого весового процента углеродных нанотрубок может привести к значительному улучшению механических свойств биоразлагаемых полимерных нанокомпозитов для применения в тканевой инженерии, включая костную, хрящ, мышца и нервной ткани. Дисперсия небольшого процента графена (~0,02 мас.%) приводит к значительному увеличению механических свойств полимерных нанокомпозитов при сжатии и изгибе. Исследователи из Университета Райса, Университета Стоуни-Брук, Медицинского центра Университета Радбауд в Неймегене и Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что углеродные нанотрубки и их полимерные нанокомпозиты являются подходящими каркасными материалами для инженерии костной ткани. и формирование костей.

УНТ демонстрируют размерную и химическую совместимость с биомолекулами, такими как ДНК и белки . УНТ позволяют получать флуоресцентные и фотоакустические изображения, а также локализовать нагрев с использованием ближнего инфракрасного излучения.

Биосенсоры SWNT демонстрируют большие изменения электрического импеданса и оптических свойств, которые обычно модулируются адсорбцией мишени на поверхности УНТ. Низкие пределы обнаружения и высокая селективность требуют разработки поверхностных и полевых эффектов УНТ, емкости, спектральных сдвигов комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции для разработки датчиков. Разрабатываемая продукция включает печатные тест-полоски для обнаружения эстрогена и прогестерона , микрочипы для обнаружения ДНК и белков и датчики NO.
₂ и сердечный тропонин . Подобные датчики CNT используются в пищевой промышленности, военной промышленности и охране окружающей среды.

УНТ могут усваиваться клетками, сначала связывая их кончики с рецепторами клеточной мембраны . Это позволяет трансфекцию молекулярного груза, прикрепленного к стенкам УНТ или инкапсулированного УНТ. Например, доксорубицин, противораковый препарат , был загружен до 60 мас.% на УНТ по сравнению с максимальными 8–10 мас.% на липосомах. Высвобождение груза может быть вызвано излучением ближнего инфракрасного диапазона . Однако ограничение удержания УНТ в организме имеет решающее значение для предотвращения нежелательного накопления.

Токсичность УНТ остается проблемой, хотя биосовместимость УНТ может быть инженерной. Степень воспаления легких, вызванного введением хорошо диспергированных ОСНТ, была незначительной по сравнению с асбестом и взвешенными веществами в воздухе. Медицинское признание УНТ требует понимания иммунного ответа и соответствующих стандартов воздействия при вдыхании, инъекции, проглатывании и контакте с кожей. Леса УНТ, иммобилизованные в полимере, не показали повышенной воспалительной реакции у крыс по сравнению с контрольной группой. УНТ рассматриваются в качестве электродов с низким импедансом для нейронного интерфейса и для покрытия катетеров для уменьшения тромбоза .

Источники рентгеновского излучения с УНТ для медицинской визуализации также находятся в разработке. Опираясь на уникальные свойства УНТ, исследователи разработали автоэмиссионные катоды, которые позволяют точно контролировать рентгеновское излучение и близко размещать несколько источников. Источники рентгеновского излучения с УНТ были продемонстрированы для доклинических применений для визуализации небольших животных и в настоящее время проходят клинические испытания.

В ноябре 2012 года исследователи из Американского национального института стандартов и технологий (NIST) доказали, что одностенные углеродные нанотрубки могут помочь защитить молекулы ДНК от повреждения в результате окисления .

Высокоэффективным методом доставки углеродных нанотрубок в клетки является Cell Squeezing , высокопроизводительная безвекторная микрофлюидная платформа для внутриклеточной доставки, разработанная в Массачусетском технологическом институте в лабораториях Роберта С. Лангера .

Кроме того, углеродные нанотрубки выращиваются внутри микрофлюидных каналов для химического анализа на основе электрохроматографии. Здесь высокое соотношение площади поверхности к объему и высокая гидрофобность УНТ используются для того, чтобы значительно сократить время анализа небольших нейтральных молекул, для анализа которых обычно требуется большое громоздкое оборудование.

Композитные материалы

Благодаря превосходным механическим свойствам углеродных нанотрубок было предложено множество структур: от предметов повседневного обихода, таких как одежда и спортивное снаряжение, до боевых курток и космических лифтов . Однако космический лифт потребует дальнейших усилий по совершенствованию технологии углеродных нанотрубок, поскольку практическая прочность углеродных нанотрубок на разрыв должна быть значительно улучшена.

С точки зрения перспективы, уже были сделаны выдающиеся прорывы. Новаторская работа под руководством Рэя Х. Боумана из Института нанотехнологий показала, что одно- и многостенные нанотрубки могут производить материалы с прочностью, не имеющей себе равных в искусственном и естественном мире.

Углеродные нанотрубки скручиваются в пряжу, CSIRO

Углеродные нанотрубки также являются многообещающим материалом в качестве строительных блоков иерархических композиционных материалов, учитывая их исключительные механические свойства (модуль ~ 1 ТПа и прочность ~ 100 ГПа). Первоначальные попытки включить УНТ в иерархические структуры (такие как нити, волокна или пленки). ) привело к тому, что механические свойства оказались значительно ниже этих потенциальных пределов. Иерархическая интеграция многостенных углеродных нанотрубок и оксидов металлов/металлов в единой наноструктуре может использовать потенциал композита углеродных нанотрубок для расщепления воды и электрокатализа. Виндл и др. использовали in situ для производства непрерывных нитей УНТ из аэрогелей УНТ, выращенных методом CVD. метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) Пряжу УНТ также можно производить путем вытягивания пучков УНТ из леса УНТ и последующего скручивания с образованием волокна (метод вытягивания-скручивания, см. рисунок справа). Группа Windle изготовила пряжу из УНТ с прочностью до ~9 ГПа при малой расчетной длине ~1 мм, однако при большей расчетной длине 20 мм была зафиксирована прочность всего около ~1 ГПа. Причина, по которой прочность волокна была низкой по сравнению с прочностью отдельных УНТ, связана с неспособностью эффективно передавать нагрузку на составляющие (прерывистые) УНТ внутри волокна. Одним из потенциальных путей решения этой проблемы является ковалентное сшивание между пучками и между УНТ, индуцированное облучением (или осаждением), для эффективного «объединения» УНТ, при этом более высокие уровни дозировок приводят к возможности создания композита аморфный углерод/углеродные нанотрубки. волокна. Эспиноза и др. разработали высокоэффективные композитные нити ДУНТ-полимер путем скручивания и растяжения лент из хаотично ориентированных пучков ДУНТ, тонко покрытых полимерными органическими соединениями. Эти нити из ДУНТ-полимера продемонстрировали необычно высокую энергию до разрушения, составляющую ~100 Дж·г. ⁻¹ (сравним с одним из самых прочных натуральных материалов – паучьим шелком) ), а прочность достигает ~1,4 ГПа. Продолжаются усилия по производству композитов УНТ, включающих более прочные матричные материалы, такие как кевлар , для дальнейшего улучшения механических свойств по сравнению со свойствами отдельных УНТ.

Из-за высокой механической прочности углеродных нанотрубок проводятся исследования по их вплетению в одежду для создания колото- и пуленепробиваемой одежды. Нанотрубки эффективно предотвратят проникновение пули в тело, хотя кинетическая энергия пули, вероятно, приведет к переломам костей и внутреннему кровотечению.

Углеродные нанотрубки также могут обеспечить сокращение времени обработки и более высокую энергоэффективность во время отверждения композита с использованием нагревателей со структурой углеродных нанотрубок. Автоклавирование является «золотым стандартом» отверждения композитов, однако оно обходится дорого и накладывает ограничения на размеры деталей. По оценкам исследователей, для отверждения небольшой секции фюзеляжа Boeing 787 из углеродного волокна и эпоксидной смолы требуется 350 ГДж энергии и выделяется 80 тонн углекислого газа. Это примерно такое же количество энергии, которое девять домохозяйств потребят за один год. Кроме того, устранение ограничений по размеру деталей устраняет необходимость соединения небольших составных компонентов для создания крупномасштабных структур. Это экономит время производства и обеспечивает более прочные конструкции.

Нагреватели со структурой углеродных нанотрубок обещают заменить автоклавы и обычные печи для отверждения композитов благодаря их способности достигать высоких температур с высокой скоростью нарастания, высоким электрическим КПД и механической гибкостью. Эти наноструктурированные нагреватели могут принимать форму пленки и наноситься непосредственно на композит. Это приводит к кондуктивной теплопередаче в отличие от конвективной теплопередачи, используемой в автоклавах и обычных печах. Ли и др. сообщили, что только 50% тепловой энергии, введенной в автоклаве, передается отверждаемому композиту независимо от размера детали, в то время как около 90% тепловой энергии передается в наноструктурированном пленочном нагревателе в зависимости от процесса.

Ли и др. смогли успешно отверждать композиты аэрокосмического класса с помощью нагревателя УНТ, изготовленного путем «домино-надавливания» леса УНТ на тефлоновую пленку. Затем эту пленку уложили поверх 8-слойного препрега OOA. Вокруг конструкции была установлена ​​теплоизоляция. Вся установка впоследствии была упакована в вакуумный пакет и нагрета с помощью источника питания 30 В постоянного тока. Степень отверждения и механические испытания были проведены для сравнения композитов, отвержденных традиционным способом, с их установкой OOA. Результаты показали, что не было никакой разницы в качестве созданного композита. Однако количество энергии, необходимое для отверждения композитного ООА, сократилось на два порядка с 13,7 МДж до 118,8 кДж.

Однако прежде чем углеродные нанотрубки можно будет использовать для отверждения фюзеляжей Boeing 787, необходимо провести дальнейшие разработки. Самой большой проблемой, связанной с созданием надежных нагревателей со структурой углеродных нанотрубок, является возможность создания однородной дисперсии углеродных нанотрубок в полимерной матрице для обеспечения равномерного распределения тепла. Большая площадь поверхности УНТ приводит к возникновению сильных сил Ван-дер-Ваальса между отдельными УНТ, вызывая их агломерацию вместе и приводя к неоднородным нагревательным свойствам. Кроме того, необходимо тщательно выбирать полимерную матрицу, чтобы она могла выдерживать высокие температуры и повторяющиеся термические циклы, необходимые для отверждения нескольких компонентов композита.

Смеси

МУНТ впервые использовались в качестве электропроводящих наполнителей в металлах в концентрациях до 83,78 процентов по массе (мас.%). Композиты МУНТ-полимер достигают проводимости до 10 000 См·м. ⁻¹ при загрузке 10 мас.%. В автомобильной промышленности пластмассы УНТ используются для электростатической окраски корпусов зеркал, а также топливопроводов и фильтров, рассеивающих электростатический заряд . Другие продукты включают корпуса для защиты от электромагнитных помех (EMI) и держатели кремниевых пластин.

Для несущих нагрузок порошки УНТ смешивают с полимерами или смолами-прекурсорами для повышения жесткости, прочности и ударной вязкости. Эти улучшения зависят от диаметра УНТ, соотношения сторон, выравнивания, дисперсии и межфазного взаимодействия. В предварительно смешанных смолах и маточных смесях содержание УНТ составляет от 0,1 до 20% масс. Наномасштабное прерывистое скольжение между УНТ и контактами УНТ-полимер может увеличить демпфирование материала, улучшая качество спортивных товаров, включая теннисные ракетки, бейсбольные биты и велосипедные рамы.

Смолы УНТ улучшают волокнистые композиты, в том числе лопасти ветряных турбин и корпуса судов морской безопасности, которые изготавливаются путем улучшения композитов из углеродного волокна смолой с повышенным содержанием УНТ. УНТ используются в качестве добавок в органических предшественниках более прочных углеродных волокон диаметром 1 мкм. УНТ влияют на расположение углерода в пиролизованном волокне.

Для решения проблемы организации УНТ в более крупных масштабах иерархические волокнистые композиты создаются путем выращивания выровненных лесов на стекле, карбиде кремния (SiC), оксиде алюминия и углеродных волокнах, создавая так называемые «нечеткие» волокна. Нечеткая эпоксидная ткань CNT-SiC и CNT-оксид алюминия показала на 69% улучшенную ударную вязкость при раскрытии трещин (режим I) и/или межламинарном сдвиге в плоскости (режим II). Расследуемые области применения включают защиту от ударов молний, ​​противообледенительную обработку и мониторинг состояния конструкций самолетов.

МУНТ можно использовать в качестве огнезащитной добавки к пластикам из-за изменения реологии при загрузке нанотрубок. Такие добавки могут заменить галогенированные антипирены , на которые накладываются экологические ограничения.

Смеси УНТ и бетона обеспечивают повышенную прочность на разрыв и уменьшение распространения трещин .

Buckypaper (наполнитель нанотрубок) может значительно улучшить огнестойкость благодаря эффективному отражению тепла.

Текстиль

Предыдущие исследования по использованию УНТ для функционализации текстиля были сосредоточены на прядении волокон для улучшения физических и механических свойств. В последнее время большое внимание уделяется нанесению УНТ на текстильные ткани. Для модификации тканей с использованием УНТ использовались различные методы. произвела интеллектуальный электронный текстиль для биомониторинга человека с использованием покрытия на основе полиэлектролита с УНТ. Кроме того, Panhuis et al. окрашенный текстильный материал путем погружения либо в раствор полимера поли(2-метоксианилин-5-сульфоновой кислоты) ПМАС, либо в дисперсию ПМАС-ОУНТ с повышенной проводимостью и емкостью с долговечным поведением. В другом исследовании Ху и его коллеги покрыли одностенные углеродные нанотрубки с помощью простого процесса «погружения и сушки» для носимой электроники и хранения энергии. В недавнем исследовании Ли и его коллеги, используя эластомерный сепаратор, почти достигли полностью растягивающегося суперконденсатора на основе изогнутых одностенных макропленок из углеродных нанотрубок. Был использован электропряденый полиуретан, который обеспечил хорошую механическую растяжимость, а весь элемент достиг превосходной стабильности циклического заряда-разряда. УНТ имеют ориентированную структуру нанотрубок и отрицательный поверхностный заряд. Следовательно, они имеют структуру, аналогичную прямым красителям, поэтому метод истощения применяется для нанесения покрытия и поглощения УНТ на поверхность волокна для изготовления многофункциональной ткани, обладающей антибактериальными, электропроводящими, огнестойкими и электромагнитными свойствами.

Позже пряжа CNT а ламинированные листы, изготовленные методом прямого химического осаждения из паровой фазы (CVD) или методами лесного прядения или волочения, могут конкурировать с углеродным волокном в сфере высококачественного использования, особенно в чувствительных к весу приложениях, требующих комбинирования электрических и механических функций. Исследовательские нити, изготовленные из малостенных УНТ, достигли жесткости 357 ГПа и прочности 8,8 ГПа при расчетной длине, сравнимой с УНТ длиной в миллиметр в пряже. Калибровочные длины в сантиметрах обеспечивают весовую прочность всего 2 ГПа, что соответствует прочности кевлара .

Поскольку вероятность критического дефекта увеличивается с увеличением объема, нити могут никогда не достичь прочности отдельных УНТ. Однако большая площадь поверхности УНТ может обеспечить межфазное соединение, которое нивелирует эти недостатки. Нити CNT можно завязывать без потери прочности. Покрытие вытянутых лесом листов УНТ функциональным порошком перед вставкой скрутки позволяет получить пряжу для плетения, плетения и шитья, содержащую до 95 мас.% порошка. Область применения включает сверхпроводящие провода, электроды аккумуляторов и топливных элементов, а также самоочищающийся текстиль.

Пока что непрактичные волокна из ориентированных ОСНТ могут быть изготовлены путем коагуляционного прядения суспензий УНТ. Для коммерциализации необходимы более дешевые ОСНТ или пряденные МСНТ. Углеродные нанотрубки можно растворить в суперкислотах, таких как серофтористая кислота , и втянуть в волокна методом сухого мокрого прядения.

Композитные нити ДУНТ-полимер получены путем скручивания и растяжения лент из хаотично ориентированных пучков ДУНТ, тонко покрытых полимерными органическими соединениями.

Бронежилеты — боевые куртки Кембриджский университет разработал волокна и лицензировал компанию на их производство. Для сравнения, пуленепробиваемое волокно кевлар терпит неудачу при 27–33 Дж/г.

Синтетические мышцы обеспечивают высокий коэффициент сокращения/расширения при воздействии электрического тока.

SWNT используются в качестве экспериментального материала для съемных структурных панелей мостов.

В 2015 году исследователи включили УНТ и графен в паутину , увеличив ее прочность и ударную вязкость до нового рекорда. Они опрыскали 15 пауков Pholcidae водой, содержащей нанотрубки или хлопья. Полученный шелк имел прочность на излом до 5,4 ГПа , модуль Юнга до 47,8 ГПа и модуль ударной вязкости до 2,1 ГПа, превосходя как синтетические полимерные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками (например, кевлар49 ), так и узловатые волокна.

Пружины из углеродных нанотрубок

«Леса» из растянутых, выровненных пружин MWNT могут достигать плотности энергии, в 10 раз большей, чем у стальных пружин, обеспечивая циклическую долговечность, нечувствительность к температуре, отсутствие самопроизвольного разряда и произвольную скорость разряда. Ожидается, что леса SWNT смогут хранить гораздо больше, чем MWNT.

Сплавы

Добавление небольших количеств УНТ к металлам увеличивает прочность на разрыв и модуль упругости, что потенциально может использоваться в аэрокосмических и автомобильных конструкциях. Коммерческие композиты алюминий-МУНТ имеют прочность, сравнимую с прочностью нержавеющей стали (от 0,7 до 1 ГПа), при плотности, составляющей одну треть (2,6 г · см3). ⁻³ ), сравнимый с более дорогими алюминиево-литиевыми сплавами.

Покрытия и пленки

УНТ могут служить многофункциональным материалом покрытия. Например, смеси краски и МУНТ могут уменьшить биообрастание корпусов кораблей, предотвращая прикрепление водорослей и ракушек . Они являются возможной альтернативой экологически опасным биоцидосодержащим краскам. Добавление УНТ в антикоррозионные покрытия для металлов может повысить жесткость и прочность покрытия, а также обеспечить возможность катодной защиты.

УНТ представляют собой менее дорогую альтернативу ITO для ряда потребительских устройств. Помимо стоимости, гибкие прозрачные проводники CNT имеют преимущество перед хрупкими покрытиями ITO для гибких дисплеев. Проводники УНТ можно наносить из раствора и наносить на них рисунок с помощью таких методов, как трафаретная печать. Пленки SWNT обеспечивают прозрачность 90% и удельное сопротивление листа 100 Ом на квадрат. Такие пленки разрабатываются для тонкопленочных обогревателей, например, для размораживания окон или тротуаров.

Леса и пенопласты из углеродных нанотрубок также можно покрывать различными материалами, чтобы изменить их функциональность и характеристики. Примеры включают УНТ с кремниевым покрытием для создания гибких энергоемких батарей, графеновые покрытия для создания высокоэластичных аэрогелей и покрытия из карбида кремния для создания прочного конструкционного материала для надежных 3D-микроархитектур с высоким соотношением сторон.

Существует широкий спектр методов формирования покрытий и пленок из УНТ.

Детекторы оптической мощности

Напыляемая смесь углеродных нанотрубок и керамики демонстрирует беспрецедентную способность противостоять повреждениям при поглощении лазерного света. Такие покрытия, которые поглощают энергию мощных лазеров, не разрушаясь, необходимы для детекторов оптической мощности, измеряющих выходную мощность таких лазеров. Они используются, например, в военной технике для обезвреживания неразорвавшихся мин. Композит состоит из многостенных углеродных нанотрубок и керамики из кремния, углерода и азота. Включение бора повышает температуру пробоя. Нанотрубки и графеноподобный углерод хорошо передают тепло, а устойчивая к окислению керамика повышает устойчивость к повреждениям. Создание покрытия предполагает диспергирование нанотрубок в толуоле , к которому был добавлен прозрачный жидкий полимер, содержащий бор. Смесь нагревали до 1100 °C (2010 °F). Результат измельчают в мелкий порошок, снова диспергируют в толуоле и тонким слоем распыляют на медную поверхность. Покрытие поглощало 97,5 процентов света дальнего инфракрасного лазера и выдерживало мощность 15 киловатт на квадратный сантиметр в течение 10 секунд. Устойчивость к повреждениям примерно на 50 процентов выше, чем у аналогичных покрытий, например, только из нанотрубок и углеродной краски.

Радарное поглощение

Основная статья: Радиопоглощающий материал

Радары работают в микроволновом диапазоне частот, который могут поглощать МСНТ. Применение МУНТ к самолету приведет к поглощению радара и, следовательно, к уменьшению радиолокационного сечения . Одним из таких приложений может быть нанесение нанотрубок на плоскость. была проведена некоторая работа Недавно в Мичиганском университете относительно полезности углеродных нанотрубок в качестве технологии малозаметности на самолетах. Было обнаружено, что в дополнение к свойствам поглощения радиолокационных сигналов нанотрубки не отражают и не рассеивают видимый свет, что делает его практически невидимым в ночное время, что очень похоже на окраску современных самолетов-невидимок в черный цвет, только гораздо более эффективно. Однако текущие ограничения в производстве означают, что нынешнее производство самолетов с нанотрубками невозможно. Одна из теорий преодоления этих текущих ограничений состоит в том, чтобы покрыть небольшие частицы нанотрубками и суспендировать покрытые нанотрубками частицы в такой среде, как краска, которую затем можно наносить на поверхность, как на самолете-невидимке.

В 2010 году корпорация Lockheed Martin подала заявку на патент именно на такой радиопоглощающий материал на основе УНТ, который был передан и передан компании Applied NanoStructure Solutions, LLC в 2012 году. Некоторые полагают, что этот материал заложен в F-35 Lightning II .

Микроэлектроника

на основе нанотрубок Были созданы транзисторы , также известные как полевые транзисторы с углеродными нанотрубками (CNTFET), которые работают при комнатной температуре и способны осуществлять цифровое переключение с использованием одного электрона. Однако одним из основных препятствий на пути реализации нанотрубок является отсутствие технологии массового производства. В 2001 году исследователи IBM продемонстрировали, как можно разрушить металлические нанотрубки, оставив полупроводниковые для использования в качестве транзисторов. Их процесс называется «конструктивное разрушение», которое включает автоматическое разрушение дефектных нанотрубок на пластине . Однако этот процесс позволяет контролировать электрические свойства только в статистическом масштабе.

SWNT привлекательны для транзисторов из-за низкого рассеяния электронов и ширины запрещенной зоны. SWNT совместимы с архитектурами полевых транзисторов (FET) и диэлектриками с высоким k. Несмотря на прогресс, последовавший за появлением транзистора CNT в 1998 году, включая туннельный полевой транзистор с подпороговым размахом <60 мВ за десятилетие (2004 г.), радио (2007 г.) и полевой транзистор с длиной канала менее 10 нм и нормализованной плотностью тока 2,41 мА мкм ⁻¹ при 0,5 В, что больше, чем для кремниевых устройств.

Однако контроль диаметра, киральности, плотности и размещения остается недостаточным для коммерческого производства. Менее требовательные устройства с десятками и тысячами ОСНТ более практичны. Использование матриц/транзисторов УНТ увеличивает выходной ток и компенсирует дефекты и различия в киральности, улучшая однородность и воспроизводимость устройства. Например, транзисторы, использующие горизонтально выровненные массивы УНТ, достигли подвижности 80 см. ² V ⁻¹ с ⁻¹ , подпороговые наклоны 140 мВ за декаду и коэффициенты включения/выключения до 10 ⁵ . Методы осаждения пленок УНТ позволяют производить традиционные полупроводниковые устройства, состоящие из более чем 10 000 УНТ на кристалл.

Печатные тонкопленочные транзисторы (TFT) из УНТ привлекательны для управления дисплеями на органических светодиодах , демонстрируя более высокую подвижность, чем аморфный кремний (~ 1 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ ) и могут быть нанесены низкотемпературными безвакуумными методами. Гибкие CNT TFT с подвижностью 35 см. ² V ⁻¹ с ⁻¹ и коэффициент включения/выключения 6 × 10 ⁶ были продемонстрированы. Вертикальный полевой транзистор CNT показал достаточный выходной ток для управления OLED при низком напряжении, обеспечивая красно-зелено-синее излучение через прозрачную сеть CNT. УНТ рассматриваются в качестве меток радиочастотной идентификации . Было продемонстрировано селективное удержание полупроводниковых ОСНТ во время центрифугирования и снижение чувствительности к адсорбатам.

Международная технологическая дорожная карта для полупроводников предполагает, что УНТ могут заменить медные межсоединения в интегральных схемах благодаря их низкому рассеянию, высокой токопроводящей способности и устойчивости к электромиграции. Для этого необходимо использовать плотно упакованные (>10 ¹³ см ⁻² ) необходимы металлические УНТ с низкой плотностью дефектов и низким контактным сопротивлением. Недавно на полных пластинах диаметром 200 мм были продемонстрированы межсоединения диаметром 150 нм, совместимые с комплементарными металлами и полупроводниками (КМОП), с сопротивлением одного контакта УНТ-контактное отверстие 2,8 кОм. Кроме того, в качестве замены выступов припоя УНТ могут функционировать как в качестве электрических выводов, так и в качестве рассеивателей тепла для использования в мощных усилителях.

Наконец, концепция энергонезависимой памяти на основе отдельных поперечных электромеханических переключателей из УНТ была адаптирована для коммерциализации путем создания структуры запутанных тонких пленок УНТ в качестве функциональных элементов. Это потребовало разработки суспензий сверхчистых УНТ, на которые можно наносить центрифугирование и обрабатывать их в промышленных чистых помещениях и, следовательно, которые совместимы со стандартами обработки КМОП.

Транзисторы

Полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок (CNTFET) могут работать при комнатной температуре и способны осуществлять цифровое переключение с использованием одного электрона . В 2013 году была продемонстрирована логическая схема CNT, способная выполнять полезную работу. на основе нанотрубок Основными препятствиями для микроэлектроники являются отсутствие технологии массового производства , плотность схемы, расположение отдельных электрических контактов, чистота образца, контроль длины, киральности и желаемого выравнивания, теплового баланса и контактного сопротивления.

Одной из основных задач было регулирование проводимости. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как проводник или как полупроводник .

Другой способ изготовления транзисторов из углеродных нанотрубок — использовать их случайные сети. Поступая таким образом, можно усреднить все их электрические различия и можно производить устройства в больших масштабах на уровне пластин. Этот подход был впервые запатентован компанией Nanomix Inc. (дата первоначальной заявки: июнь 2002 г.) ). Впервые он был опубликован в научной литературе Лабораторией военно-морских исследований США в 2003 году в результате независимой исследовательской работы. Этот подход также позволил Nanomix создать первый транзистор на гибкой и прозрачной подложке.

Поскольку длина свободного пробега электронов в SWCNT может превышать 1 микрометр, CNTFET с длинным каналом демонстрируют почти баллистические транспортные характеристики, что приводит к высоким скоростям. Предполагается, что устройства УНТ будут работать в диапазоне частот в сотни гигагерц.

Нанотрубки можно выращивать на наночастицах магнитного металла ( Fe , Co ), что облегчает производство электронных ( спинтронных ) устройств. В частности, в такой однотрубной наноструктуре было продемонстрировано управление током через полевой транзистор с помощью магнитного поля.

История

В 2001 году исследователи IBM продемонстрировали, как можно разрушить металлические нанотрубки, оставив полупроводниковые нанотрубки для использования в качестве компонентов. Используя «конструктивное разрушение», они уничтожили дефектные нанотрубки на пластине . Однако этот процесс позволяет контролировать электрические свойства только в статистическом масштабе. работающих при комнатной температуре В 2003 году появились сообщения о баллистических транзисторах, , с омическими металлическими контактами и диэлектриком затвора high-k , показавших в 20–30 раз больший ток, чем современные кремниевые МОП-транзисторы . Палладий - металл с высокой работой выхода , который, как было показано, демонстрирует безбарьерные контакты Шоттки с полупроводниковыми нанотрубками диаметром> 1,7 нм.

Потенциал углеродных нанотрубок был продемонстрирован в 2003 году, когда сообщалось о баллистических транзисторах при комнатной температуре с омическими металлическими контактами и диэлектриком затвора с высоким k , показавших в 20–30 раз больший ток включения, чем современные Si MOSFET . Это стало важным достижением в этой области, поскольку было показано, что CNT потенциально превосходит Si. В то время основной проблемой было формирование омических металлических контактов. В связи с этим было показано, что палладий , металл с высокой работой выхода , демонстрирует безбарьерные контакты Шоттки с полупроводниковыми нанотрубками диаметром > 1,7 нм.

Первая интегральная схема памяти на нанотрубках была создана в 2004 году. Одной из основных задач было регулирование проводимости нанотрубок. В зависимости от тонких особенностей поверхности нанотрубка может действовать как простой проводник или как полупроводник. Однако был разработан полностью автоматизированный метод удаления неполупроводниковых трубок.

В 2013 году исследователи продемонстрировали полный по Тьюрингу прототип компьютера микрометрового масштаба. Транзисторы из углеродных нанотрубок в качестве схем с логическим вентилем с плотностью, сравнимой с современной КМОП-технологией, еще не были продемонстрированы.

В 2014 году сети очищенных полупроводниковых углеродных нанотрубок были использованы в качестве активного материала в тонкопленочных транзисторах p-типа . Они были созданы с помощью 3D-принтеров струйным глубоким или методом на гибких подложках, в том числе полиимидных. и полиэтилен (ПЭТ) и прозрачные подложки, такие как стекло. Эти транзисторы надежно обладают высокой подвижностью (> 10 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ ) и коэффициентами включения/выключения (> 1000), а также пороговым напряжением ниже 5 В. Они обеспечивают плотность тока и низкое энергопотребление, а также устойчивость к воздействию окружающей среды и механическую гибкость. Гистерезис в зависимости тока от напряжения, а также изменчивость порогового напряжения еще предстоит решить.

В 2015 году исследователи объявили о новом способе соединения проводов с ОСНТ, который позволяет продолжать уменьшать ширину проводов без увеличения электрического сопротивления. Ожидалось, что этот прогресс позволит уменьшить точку контакта между двумя материалами до 40 атомов в ширину, а затем и меньше. Трубки располагаются в равномерно расположенных рядах на кремниевых пластинах. Моделирование показало, что конструкции можно оптимизировать либо для достижения высокой производительности, либо для обеспечения низкого энергопотребления. Коммерческие устройства не ожидались до 2020-х годов.

Управление температурным режимом

Крупные структуры из углеродных нанотрубок можно использовать для терморегулирования электронных схем. В качестве специального материала для изготовления охладителей использовался слой углеродных нанотрубок толщиной около 1 мм, этот материал имеет очень низкую плотность, вес в ~20 раз меньший, чем аналогичная медная структура, при этом охлаждающие свойства обоих материалов схожи.

Buckypaper имеет характеристики, подходящие для использования в качестве радиатора для ДСП, подсветки для ЖК- экранов или в качестве клетки Фарадея .

Солнечные батареи

Дополнительная информация: Углеродные нанотрубки в фотогальванике.

Одним из многообещающих применений одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) является их использование в солнечных панелях из-за их сильных характеристик поглощения УФ/Видимого и ближнего ИК-диапазона. Исследования показали, что они могут обеспечить значительное повышение эффективности даже в их текущем неоптимизированном состоянии. Солнечные элементы, разработанные в Технологическом институте Нью-Джерси, используют комплекс углеродных нанотрубок, образованный смесью углеродных нанотрубок и углеродных шариков (известных как фуллерены ), для формирования змееподобных структур. Бакиболлы улавливают электроны, но не могут заставить их течь. Добавьте солнечный свет, чтобы возбудить полимеры, и бакиболлы захватят электроны. Нанотрубки, ведущие себя как медные провода, смогут заставлять электроны или ток течь.

Были проведены дополнительные исследования по созданию гибридных солнечных панелей SWNT для дальнейшего повышения эффективности. Эти гибриды создаются путем объединения SWNT с фотовозбудимыми донорами электронов для увеличения количества генерируемых электронов. Обнаружено, что в результате взаимодействия фотовозбужденного порфирина с ОСНТ на поверхности ОСНТ образуются электродырочные пары. Это явление наблюдалось экспериментально и практически способствует увеличению КПД до 8,5%.

Нанотрубки потенциально могут заменить оксид индия-олова в солнечных элементах в качестве прозрачной проводящей пленки в солнечных элементах, позволяющей свету проходить к активным слоям и генерировать фототок.

УНТ в органических солнечных элементах помогают снизить потери энергии (рекомбинацию носителей) и повысить устойчивость к фотоокислению. Фотоэлектрические технологии могут когда-нибудь включить гетеропереходы УНТ-кремний, чтобы повысить эффективность генерации множественных экситонов на pn-переходах, образованных внутри отдельных УНТ. В ближайшем будущем коммерческие фотоэлектрические системы могут включать в себя прозрачные электроды из ОСНТ.

Хранение водорода

Помимо возможности хранить электрическую энергию, были проведены некоторые исследования по использованию углеродных нанотрубок для хранения водорода, который будет использоваться в качестве источника топлива. Воспользовавшись капиллярным эффектом небольших углеродных нанотрубок, можно конденсировать газы высокой плотности внутри одностенных нанотрубок. Это позволяет газам, особенно водороду (H ₂ ), храниться при высоких плотностях без конденсации в жидкость. Потенциально этот метод хранения может быть использован на транспортных средствах вместо газовых топливных баков в автомобилях с водородным двигателем. Текущей проблемой, связанной с транспортными средствами, работающими на водороде, является бортовое хранение топлива. Современные методы хранения включают охлаждение и конденсацию газообразного H ₂ до жидкого состояния для хранения, что приводит к потере потенциальной энергии (25–45%) по сравнению с энергией, связанной с газообразным состоянием. Хранение с использованием ОСНТ позволит сохранять H2 в газообразном состоянии, тем самым повышая эффективность хранения. Этот метод позволяет добиться соотношения объема к энергии, немного меньшего, чем у нынешних автомобилей с бензиновым двигателем, что обеспечивает немного меньший, но сопоставимый запас хода.

Областью споров и частых экспериментов относительно хранения водорода путем адсорбции в углеродных нанотрубках является эффективность, с которой происходит этот процесс. Эффективность хранения водорода является неотъемлемой частью его использования в качестве основного источника топлива, поскольку водород содержит лишь около четверти энергии на единицу объема, чем бензин. Однако исследования показывают, что наиболее важным является площадь поверхности используемых материалов. Следовательно, активированный уголь с площадью поверхности 2600 м2/г может хранить до 5,8% мас./мас. Во всех этих углеродсодержащих материалах водород сохраняется за счет физической сорбции при температуре 70-90К.

Экспериментальная мощность

Один эксперимент стремились определить количество водорода, хранящегося в УНТ, используя анализ обнаружения упругой отдачи (ERDA). УНТ (в первую очередь ОСНТ) были синтезированы методом химического обезвреживания паров (CVD) и подвергнуты двухэтапному процессу очистки, включая окисление воздухом и кислотную обработку, затем сформированы в плоские однородные диски и подвергнуты воздействию чистого водорода под давлением при различных температурах. При анализе данных было обнаружено, что способность УНТ хранить водород снижается с повышением температуры. Более того, самая высокая измеренная концентрация водорода составила ~0,18%; значительно ниже, чем необходимо для коммерчески жизнеспособного хранения водорода. Отдельная экспериментальная работа, проведенная с использованием гравиметрического метода, также показала, что максимальная способность УНТ к поглощению водорода составляет всего 0,2%.

В другом эксперименте УНТ были синтезированы методом CVD, а их структура охарактеризована с помощью рамановской спектроскопии . Используя микроволновое разложение , образцы подвергались воздействию кислот разных концентраций и разных температур в течение разного времени в попытке найти оптимальный метод очистки SWNT определенного ранее диаметра. Затем очищенные образцы подвергали воздействию газообразного водорода при различных высоких давлениях и их адсорбции строили график в массовых процентах. Данные показали, что уровни адсорбции водорода до 3,7% возможны для очень чистого образца и в соответствующих условиях. Считается, что микроволновое расщепление помогает улучшить способность УНТ к адсорбции водорода за счет открытия концов, обеспечивая доступ к внутренним полостям нанотрубок.

Ограничения на эффективную адсорбцию водорода

Самым большим препятствием для эффективного хранения водорода с использованием УНТ является чистота нанотрубок. Для достижения максимальной адсорбции водорода в образце нанотрубки должно быть минимальное количество графена , аморфного углерода и металлических отложений. Современные методы синтеза УНТ требуют стадии очистки. Однако даже при использовании чистых нанотрубок адсорбционная способность максимизируется только при высоких давлениях, что нежелательно в коммерческих топливных баках.

Электронные компоненты

Различные компании разрабатывают прозрачные электропроводящие пленки и нанотрубки из УНТ, чтобы заменить оксид индия-олова (ITO) в ЖК-дисплеях, сенсорных экранах и фотоэлектрических устройствах. Нанотрубные пленки перспективны для использования в дисплеях компьютеров, мобильных телефонов, персональных цифровых помощников и банкоматов . Диоды CNT обладают фотоэлектрическим эффектом .

Многостенные нанотрубки ( МУНТ , покрытые магнетитом ) могут генерировать сильные магнитные поля. Последние достижения показывают, что МУНТ, украшенные наночастицами маггемита, можно ориентировать в магнитном поле. и улучшить электрические свойства композиционного материала в направлении поля для использования в электродвигателей . щетках

Слой одностенных нанотрубок с содержанием железа, обогащенных 29% ( ОУНТ ), помещенный поверх слоя взрывчатого материала, такого как тэн, можно зажечь с помощью обычной вспышки фотоаппарата.

УНТ можно использовать в качестве электронных пушек в миниатюрных электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) в дисплеях с высокой яркостью, низким энергопотреблением и малым весом. Дисплей будет состоять из группы крошечных ЭЛТ, каждый из которых обеспечивает электроны для освещения люминофора одного пикселя , вместо одной ЭЛТ, электроны которой направляются с помощью электрических и магнитных полей . Эти дисплеи известны как автоэмиссионные дисплеи (FED).

УНТ могут выступать в качестве антенн для радиоприемников и других электромагнитных устройств.

Проводящие УНТ используются в щетках коммерческих электродвигателей. Они заменяют традиционный технический углерод . Нанотрубки улучшают электрическую и теплопроводность, поскольку они проходят через пластиковую матрицу щетки. Это позволяет снизить содержание углеродного наполнителя с 30% до 3,6%, так что в щетке будет присутствовать больше матрицы. Композитные щетки двигателя из нанотрубок лучше смазываются (за счет матрицы), работают при более низкой температуре (как за счет лучшей смазки, так и за счет превосходной теплопроводности), менее хрупкие (больше матрицы и армированного волокна), прочнее и точнее формуются (больше матрицы). Поскольку щетки являются критической точкой отказа в электродвигателях, а также не требуют много материала, они стали экономичными раньше, чем любое другое применение.

Провода для передачи электрического тока могут быть изготовлены из нанотрубок и композитов нанотрубки-полимер. Изготавливаются небольшие провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; неметаллические кабели с высочайшей проводимостью.

УНТ исследуются как альтернатива вольфрамовым нитям в лампах накаливания .

Соединяет

Дополнительная информация: Углеродные нанотрубки в межсоединениях.

Металлические углеродные нанотрубки вызвали исследовательский интерес из-за их применимости.в качестве сверхкрупной интеграции (СБИС) межсоединений из-за их высокой термостабильности , высокой теплопроводности и большой пропускной способности по току . Изолированная УНТ может проводить токплотности более 1000 МА/см ² без повреждений даже при повышенной температуре 250 °C (482 °F), что устраняет проблемы с надежностью электромиграции, которые беспокоят медные межсоединения. Недавняя работа по моделированию, сравнивающая эти два компонента, показала, что межсоединения пучка CNT потенциально могут иметь преимущества по сравнению с медью. Недавние эксперименты продемонстрировали сопротивление всего 20 Ом при использовании различных архитектур. Было показано, что подробные измерения проводимости в широком диапазоне температур согласуются с теорией сильно неупорядоченного квазиодномерного проводника.

Гибридные межсоединения, в которых используются переходные отверстия CNT в тандеме с медными межсоединениями, могут предложить преимущества с точки зрения надежности/терморегулирования. В 2016 году Европейский Союз профинансировал трехлетний проект в четыре миллиона евро по оценке технологичности и производительности композитных межсоединений, в которых используются как CNT, так и медные межсоединения. Проект CONNECT (CarbON Nanotube compositE InterconneCTs) включает в себя совместные усилия семи европейских исследовательских и промышленных партнеров по технологиям и процессам изготовления, позволяющим создавать надежные углеродные нанотрубки для внутрикристальных соединений при производстве микрочипов ULSI.

Электрические кабели и провода

Провода для передачи электрического тока могут быть изготовлены из чистых нанотрубок и композитов нанотрубки-полимер. Уже было продемонстрировано, что провода из углеродных нанотрубок можно успешно использовать для передачи энергии или данных. В последнее время стали изготавливать небольшие провода с удельной проводимостью, превышающей медь и алюминий; Эти кабели представляют собой углеродные нанотрубки с самой высокой проводимостью, а также неметаллические кабели с самой высокой проводимостью. Недавно было показано, что композит из углеродных нанотрубок и меди демонстрирует почти в сто раз большую токовую пропускную способность, чем чистая медь или золото. Примечательно, что электропроводность такого композита аналогична чистой меди. Таким образом, этот композит углеродные нанотрубки-медь (CNT-Cu) обладает самой высокой наблюдаемой токопроводящей способностью среди электрических проводников. Таким образом, при заданном поперечном сечении электрического проводника композит CNT-Cu может выдерживать и передавать ток в сто раз больший, чем такие металлы, как медь и золото.

Хранилища энергии за CNT

Использование УНТ в качестве носителя катализатора в топливных элементах потенциально может снизить использование платины на 60% по сравнению с углеродной сажей. Легированные УНТ могут позволить полностью исключить Pt.

Суперконденсатор

Основная статья: Суперконденсатор

Исследовательская лаборатория электроники Массачусетского технологического института использует нанотрубки для улучшения суперконденсаторов . Активированный уголь, используемый в обычных ультраконденсаторах, имеет множество небольших полостей различного размера, которые вместе создают большую поверхность для хранения электрического заряда. Но поскольку заряд квантуется в элементарные заряды, то есть электроны, и каждому такому элементарному заряду требуется минимальное пространство, значительная часть поверхности электрода недоступна для хранения, поскольку пустые пространства не соответствуют требованиям заряда. При использовании электрода из нанотрубок промежутки могут быть адаптированы к размеру — несколько слишком велики или слишком малы — и, следовательно, емкость должна быть значительно увеличена.

Суперконденсатор 40-Ф с максимальным напряжением 3,5 В, в котором использовались выращенные в лесу ОСНТ, не содержащие связующих веществ и добавок, достиг плотности энергии 15,6 Вт·ч кг. ⁻¹ и удельной мощностью 37 кВт кг. ⁻¹ . УНТ можно прикрепить к зарядным пластинам конденсаторов, чтобы значительно увеличить площадь поверхности и, следовательно, плотность энергии .

Батареи

Захватывающие электронные свойства углеродных нанотрубок (УНТ) показали себя многообещающими в области батарей, где обычно они экспериментируются в качестве нового электродного материала, особенно анода для литий-ионных батарей. Это связано с тем, что анод требует относительно высокой обратимой емкости при потенциале, близком к металлическому литию, и умеренной необратимой емкости, наблюдаемой до сих пор только у композитов на основе графита, таких как УНТ. Они показали, что они значительно улучшают емкость и цикличность литий-ионных батарей , а также являются очень эффективными буферными компонентами, смягчая деградацию батарей, которая обычно происходит из-за многократной зарядки и разрядки. Кроме того, электронный транспорт в аноде можно значительно улучшить, используя высокометаллические УНТ.

Более конкретно, УНТ продемонстрировали обратимую емкость от 300 до 600 мАч. ⁻¹ , после некоторых процедур лечения эти цифры возрастают до 1000 мАч. ⁻¹ . Между тем графит , который наиболее широко используется в качестве анодного материала для этих литиевых батарей, показал емкость всего 320 мАч. ⁻¹ . Создавая композиты из УНТ, ученые видят большой потенциал в использовании этих исключительных способностей, а также их превосходной механической прочности, проводимости и низкой плотности.

МУНТ используются в катодах литий-ионных аккумуляторов . В этих батареях небольшие количества порошка МУНТ смешаны с активными материалами и полимерным связующим, например, 1 мас.% загрузки УНТ в LiCoO.
₂ катода и графитовые аноды . УНТ обеспечивают улучшенную электрическую связь и механическую целостность, что увеличивает производительность и срок службы.

Бумажные батарейки

— Бумажная батарея это батарея, в которой используется тонкий, как бумага, лист целлюлозы (которая, среди прочего, является основным компонентом обычной бумаги), пропитанный выровненными углеродными нанотрубками. Потенциал этих устройств огромен, поскольку их можно производить методом рулонной печати . что сделало бы их очень дешевыми, а также легкими, гибкими и тонкими. Чтобы продуктивно использовать бумажную электронику (или любые тонкие электронные устройства), источник питания должен быть столь же тонким, что указывает на необходимость бумажных батареек. Недавно было показано, что поверхности, покрытые УНТ, можно использовать для замены тяжелых металлов в батареях. Совсем недавно были продемонстрированы функциональные бумажные батареи, в которых литий-ионная батарея встроена в один лист бумаги посредством процесса ламинирования в виде композита с Li4Ti5O12 (LTO) или LiCoO2 (LCO). Бумажная подложка будет хорошо служить сепаратором батареи, а пленки УНТ будут выступать в качестве токосъемников как для анода, так и для катода. Эти устройства с перезаряжаемой энергией демонстрируют потенциал в использовании RFID-меток , функциональной упаковки или новых одноразовых электронных устройств.

Улучшения также были продемонстрированы в свинцово-кислотных батареях на основе исследований, проведенных Университетом Бар-Илан с использованием высококачественных SWCNT производства OCSiAl . Исследование продемонстрировало увеличение срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов в 4,5 раза и увеличение емкости в среднем на 30% и до 200% при высоких скоростях разряда.

Химическая

УНТ можно использовать для транспортировки воды и опреснения . Молекулы воды можно отделить от соли, пропустив их через электрохимически прочные сети нанотрубок с контролируемой наноразмерной пористостью. Этот процесс требует гораздо более низкого давления, чем традиционные методы обратного осмоса . По сравнению с простой мембраной она работает при температуре на 20 °C ниже и скорости потока в 6 раз выше. Мембраны, в которых используются выровненные, инкапсулированные УНТ с открытыми концами, позволяют течь через внутреннюю часть УНТ. ОСНТ очень малого диаметра необходимы для улавливания соли при концентрациях в морской воде. Портативные фильтры, содержащие сетки из УНТ, могут очищать загрязненную питьевую воду. Такие сети могут электрохимически окислять органические загрязнения, бактерии и вирусы.

Мембраны из УНТ могут фильтровать углекислый газ из выбросов электростанций.

УНТ можно наполнить биологическими молекулами, что поможет биотехнологии .

УНТ могут хранить от 4,2 до 65% водорода по весу. Если их можно будет производить экономично массово, 13,2 литра (2,9 имп галлонов; 3,5 галлонов США) УНТ могут содержать такое же количество энергии, как бензиновый бак емкостью 50 литров (11 имп галлонов; 13 галлонов США).

УНТ можно использовать для производства нанопроволок из других элементов/молекул, таких как золото или оксид цинка . Нанопроволоки, в свою очередь, можно использовать для отливки нанотрубок из других материалов, например нитрида галлия . Они могут сильно отличаться от свойств УНТ — например, нанотрубки из нитрида галлия гидрофильны , а УНТ — гидрофобны , что дает возможность их использования в органической химии.

Механический

Генераторы на основе УНТ достигли скоростей > 50 ГГц .

Электрические и механические свойства УНТ позволяют предположить, что они являются альтернативой традиционным электрическим приводам.

Приводы

Основная статья: Приводы из углеродных нанотрубок

Исключительные электрические и механические свойства углеродных нанотрубок сделали их альтернативой традиционным электрическим приводам как для микроскопических, так и для макроскопических применений. Углеродные нанотрубки являются очень хорошими проводниками электричества и тепла, а также очень прочными и эластичными молекулами в определенных направлениях.

Громкоговоритель

Углеродные нанотрубки также применяются в акустике (например, в громкоговорителях и наушниках). В 2008 году было показано, что лист нанотрубок может работать как громкоговоритель, если подать переменный ток. Звук создается не за счет вибрации, а термоакустически . В 2013 году исследовательская группа Центра нанотехнологических исследований Цинхуа-Foxconn в Университете Цинхуа продемонстрировала термоакустический наушник из тонкой пряжи из углеродных нанотрубок (УНТ) вместе с термоакустическим чипом из тонкой нити УНТ. с использованием процесса изготовления, совместимого с полупроводниковой технологией на основе Si.

Коммерческое использование в ближайшем будущем включает замену пьезоэлектрических динамиков в поздравительных открытках .

Оптический

Дополнительные приложения см. в: Оптические свойства углеродных нанотрубок.

• (флуоресценция) углеродных нанотрубок Фотолюминесценция может быть использована для наблюдения полупроводниковых одностенных углеродных нанотрубок. Карты фотолюминесценции, создаваемые путем регистрации излучения и сканирования энергии возбуждения, могут облегчить характеристику образцов.

• Флуоресценция нанотрубок исследуется для биомедицинской визуализации и датчиков.

• Коэффициент отражения бумаги, полученной методом «суперростового» химического осаждения из паровой фазы, составляет 0,03 или меньше, что потенциально позволяет повысить производительность пироэлектрических инфракрасных детекторов .

Относящийся к окружающей среде

Восстановление окружающей среды

Губка с наноструктурой УНТ (наногубка), содержащая серу и железо, более эффективно впитывает загрязнения воды, такие как нефть, удобрения, пестициды и фармацевтические препараты. Их магнитные свойства облегчают их извлечение после завершения работ по очистке. Сера и железо увеличивают размер губки примерно до 2 сантиметров (0,79 дюйма). Он также увеличивает пористость за счет полезных дефектов, создавая плавучесть и возможность повторного использования. Железо в форме ферроцена облегчает контроль структуры и позволяет восстанавливать ее с помощью магнитов. Такие наногубки увеличивают поглощение токсичного органического растворителя дихлорбензола из воды в 3,5 раза. Губки могут впитывать растительное масло, в 150 раз превышающее их первоначальный вес, а моторное масло . также

Ранее была создана магнитная наногубка из MWNT, легированная бором, которая могла поглощать масло из воды. Губку выращивали в виде леса на подложке методом химического обезвреживания паров. Бор образует изгибы и изгибы в трубках по мере их роста и способствует образованию ковалентных связей . Наноспонги сохраняют свои эластичные свойства после 10 000 сжатий в лаборатории. Губки одновременно супергидрофобны , что заставляет их оставаться на поверхности воды, и олеофильны, притягивая к себе нефть.

Очистка воды

Было показано, что углеродные нанотрубки проявляют сильное адсорбционное сродство к широкому спектру ароматических и алифатических примесей в воде. из-за их большой и гидрофобной площади поверхности. Они также показали аналогичную адсорбционную способность с активированным углем в присутствии природных органических веществ. В результате они были предложены в качестве перспективных адсорбентов для удаления загрязнений в системах очистки воды и сточных вод.

Более того, мембраны, изготовленные из массивов углеродных нанотрубок, были предложены в качестве переключаемых молекулярных сит с характеристиками просеивания и проникновения, которые можно динамически активировать/деактивировать либо за счет распределения пор по размерам (пассивный контроль), либо за счет внешних электростатических полей (активный контроль).

Другие приложения

Углеродные нанотрубки были реализованы в наноэлектромеханических системах, включая элементы механической памяти ( NRAM , разрабатываемые Nantero Inc. ) и наноразмерные электродвигатели (см. Наномотор или Нанотрубный наномотор ).

Карбоксилмодифицированные одностенные углеродные нанотрубки (так называемые зигзагообразные, «кресельного типа») могут выступать в качестве сенсоров атомов и ионов щелочных металлов Na, Li, K. В мае 2005 года компания Nanomix Inc. выпустила на рынок датчик водорода, в котором углеродные нанотрубки интегрированы на кремниевой платформе.

Eikos Inc. из Франклина , Массачусетс , и Unidym Inc. из Силиконовой долины , Калифорния разрабатывают прозрачные электропроводящие пленки из углеродных нанотрубок для замены оксида индия и олова (ITO). Пленки из углеродных нанотрубок значительно более механически прочны, чем пленки ITO, что делает их идеальными для высоконадежных сенсорных экранов и гибких дисплеев. Желательны печатные чернила на водной основе из углеродных нанотрубок, которые позволят производить эти пленки для замены ITO. Нанотрубные пленки перспективны для использования в дисплеях компьютеров, мобильных телефонов, КПК и банкоматов .

Нанорадио — радиоприемник, состоящий из одной нанотрубки, было продемонстрировано в 2007 году.

Использование в датчиках растягивающего напряжения или токсичных газов было предложено Цагаракисом.

Маховик к из углеродных нанотрубок может вращаться с чрезвычайно высокой скоростью на плавающей магнитной оси в вакууме и потенциально хранить энергию с плотностью, приближающейся плотности обычного ископаемого топлива. Поскольку энергию можно очень эффективно добавлять и отводить от маховиков в виде электричества, это может предложить способ хранения электроэнергии , что сделает электрическую сеть более эффективной, а поставщиков переменной мощности (например, ветряных турбин) более полезными для удовлетворения энергетических потребностей. Практичность этого во многом зависит от стоимости изготовления массивных, непрерывных структур из нанотрубок и интенсивности их разрушения под нагрузкой.

Пружины из углеродных нанотрубок способны бесконечно хранить потенциальную упругую энергию с плотностью в десять раз большей, чем у литий-ионных батарей, с гибкой скоростью зарядки и разрядки и чрезвычайно высокой циклической долговечностью.

Ультракороткие ОСНТ (США-трубки) использовались в качестве наноразмерных капсул для доставки контрастных веществ для МРТ in vivo.

Углеродные нанотрубки открывают определенный потенциал для безметаллового катализа неорганических и органических реакций. Например, кислородные группы, прикрепленные к поверхности углеродных нанотрубок, могут катализировать окислительное дегидрирование. или селективное окисление . Углеродные нанотрубки, легированные азотом, могут заменить платиновые катализаторы, используемые для восстановления кислорода в топливных элементах . Лес вертикально ориентированных нанотрубок может восстанавливать кислород в щелочном растворе более эффективно, чем платина, которая используется в таких целях с 1960-х годов. В данном случае нанотрубки имеют дополнительное преимущество: они не подвергаются отравлению угарным газом.

Инженеры Университета Уэйк Форест используют многостенные углеродные нанотрубки для повышения яркости полевой полимерной электролюминесцентной технологии, потенциально предлагая шаг вперед в поисках безопасного, приятного и высокоэффективного освещения. В этой технологии формованная полимерная матрица излучает свет под воздействием электрического тока. В конечном итоге это может привести к созданию высокоэффективных источников света без паров ртути, как в компактных люминесцентных лампах , или без голубоватого оттенка некоторых флуоресцентных ламп и светодиодов, который связан с нарушением циркадных ритмов.

Candida albicans использовалась в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ) для производства стабильных электропроводящих бионанокомпозитных тканевых материалов, которые использовались в качестве термочувствительных элементов.

Компания OCSiAl , производящая SWNT , разработала серию маточных смесей для промышленного использования одностенных УНТ в различных типах резиновых смесей и шин, при этом первоначальные испытания показали увеличение твердости, вязкости, сопротивления растяжению и истиранию при одновременном снижении удлинения и сжатия. Три основных характеристики шин: долговечность, топливная экономичность и сцепление с дорогой были улучшены с использованием ОСНТ. Разработка маточных смесей каучука основана на более ранних работах Японского национального института передовых промышленных наук и технологий, показавших, что каучук является жизнеспособным кандидатом для улучшения с помощью ОСНТ.

Введение МУНТ в полимеры может улучшить огнестойкость и замедлить термическую деградацию полимера. Результаты подтвердили, что комбинация МУНТ и полифосфатов аммония демонстрирует синергетический эффект для улучшения огнестойкости.

Внешние ссылки

• Лекция Рэя Боумана на YouTube
• Применение углеродных нанотрубок