Καθαρισμός νανοσωλήνων άνθρακα

Καμία από τις κοινές μεθόδους για τη λήψη CNT δεν καθιστά δυνατή την απομόνωσή τους στην καθαρή τους μορφή. Οι ακαθαρσίες σε NT μπορεί να είναι φουλλερένια, άμορφος άνθρακας, γραφιτισμένα σωματίδια και σωματίδια καταλύτη.

Χρησιμοποιούνται τρεις ομάδες μεθόδων καθαρισμού CNT:

καταστρεπτικός,

μη καταστροφικό,

σε συνδυασμό.

Οι καταστροφικές μέθοδοι χρησιμοποιούν χημικές αντιδράσεις που μπορεί να είναι οξειδωτικές ή αναγωγικές και βασίζονται σε διαφορές στην αντιδραστικότητα διαφορετικών μορφών άνθρακα. Για την οξείδωση, χρησιμοποιούνται είτε διαλύματα οξειδωτικών παραγόντων είτε αέρια αντιδραστήρια και το υδρογόνο χρησιμοποιείται για αναγωγή. Οι μέθοδοι επιτρέπουν την απομόνωση CNT υψηλής καθαρότητας, αλλά συνδέονται με απώλειες σωλήνων.

Οι μη καταστροφικές μέθοδοι περιλαμβάνουν εκχύλιση, κροκίδωση και επιλεκτική καθίζηση, μικροδιήθηση εγκάρσιας ροής, χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους, ηλεκτροφόρηση και επιλεκτική αλληλεπίδραση με οργανικά πολυμερή. Κατά κανόνα, αυτές οι μέθοδοι είναι χαμηλής παραγωγικότητας και αναποτελεσματικές.

Ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα

Μηχανικός. Οι νανοσωλήνες, όπως ειπώθηκε, είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό υλικό, τόσο σε τάση όσο και σε κάμψη. Επιπλέον, υπό την επίδραση μηχανικών τάσεων που υπερβαίνουν τις κρίσιμες, οι νανοσωλήνες δεν «σπάνε», αλλά αναδιατάσσονται. Με βάση τις ιδιότητες υψηλής αντοχής των νανοσωλήνων, μπορεί να υποστηριχθεί ότι είναι το καλύτερο υλικό για ένα καλώδιο διαστημικού ανελκυστήρα αυτή τη στιγμή. Όπως δείχνουν τα αποτελέσματα πειραμάτων και αριθμητικών προσομοιώσεων, το μέτρο του Young ενός νανοσωλήνα μονού τοιχώματος φτάνει σε τιμές της τάξης του 1-5 TPa, που είναι τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα. Το παρακάτω γράφημα δείχνει μια σύγκριση μεταξύ ενός νανοσωλήνα μονού τοιχώματος και του χάλυβα υψηλής αντοχής.

1 - Σύμφωνα με υπολογισμούς, το καλώδιο του ανελκυστήρα χώρου πρέπει να αντέχει μηχανική καταπόνηση 62,5 GPa

2 - Διάγραμμα εφελκυσμού (μηχανική τάση y έναντι σχετικής επιμήκυνσης e)

Για να δείξουμε τη σημαντική διαφορά μεταξύ των σημερινών ισχυρότερων υλικών και των νανοσωλήνων άνθρακα, ας πραγματοποιήσουμε το ακόλουθο σκεπτικό πείραμα. Ας φανταστούμε ότι, όπως υποθέσαμε προηγουμένως, το καλώδιο για το διαστημικό ανελκυστήρα θα είναι μια ορισμένη ομοιογενής δομή σε σχήμα σφήνας που αποτελείται από τα ισχυρότερα υλικά που υπάρχουν σήμερα, τότε η διάμετρος του καλωδίου στο GEO (γεωστατική τροχιά της γης) θα είναι περίπου 2 km και θα στενέψει στο 1 mm στην επιφάνεια της Γης. Σε αυτή την περίπτωση, η συνολική μάζα θα είναι 60 * 1010 τόνοι. Εάν χρησιμοποιήθηκαν νανοσωλήνες άνθρακα ως υλικό, τότε η διάμετρος του καλωδίου GEO θα ήταν 0,26 mm και 0,15 mm στην επιφάνεια της Γης, και επομένως η συνολική μάζα θα ήταν 9,2 τόνοι. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω στοιχεία, οι νανοΐνες άνθρακα είναι ακριβώς το υλικό που χρειάζεται για την κατασκευή ενός καλωδίου, η πραγματική διάμετρος του οποίου θα είναι περίπου 0,75 m, ώστε να αντέχει και το ηλεκτρομαγνητικό σύστημα που χρησιμοποιείται για την κίνηση του διαστημικού ανελκυστήρα. καμπίνα.

Ηλεκτρικός. Λόγω του μικρού μεγέθους των νανοσωλήνων άνθρακα, μόλις το 1996 κατέστη δυνατό να μετρηθεί άμεσα η ηλεκτρική αντίσταση τους χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των τεσσάρων οδών.

Εφαρμόστηκαν χρυσές λωρίδες στη γυαλισμένη επιφάνεια του οξειδίου του πυριτίου σε κενό. Νανοσωλήνες μήκους 2–3 μm εναποτέθηκαν στο διάκενο μεταξύ τους. Στη συνέχεια, 4 αγωγοί βολφραμίου με πάχος 80 nm εφαρμόστηκαν σε έναν από τους νανοσωλήνες που επιλέχθηκαν για μέτρηση. Καθένας από τους αγωγούς βολφραμίου είχε επαφή με μία από τις χρυσές λωρίδες. Η απόσταση μεταξύ των επαφών στον νανοσωλήνα κυμαινόταν από 0,3 έως 1 μm. Τα αποτελέσματα των άμεσων μετρήσεων έδειξαν ότι η ειδική αντίσταση των νανοσωλήνων μπορεί να ποικίλλει εντός σημαντικών ορίων - από 5,1*10 -6 έως 0,8 Ohm/cm. Η ελάχιστη ειδική αντίσταση είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερη από αυτή του γραφίτη. Οι περισσότεροι από τους νανοσωλήνες έχουν μεταλλική αγωγιμότητα και ένα μικρότερο τμήμα παρουσιάζει τις ιδιότητες ενός ημιαγωγού με διάκενο ζώνης από 0,1 έως 0,3 eV.

Γάλλοι και Ρώσοι ερευνητές (από την IPTM RAS, Chernogolovka) ανακάλυψαν μια άλλη ιδιότητα των νανοσωλήνων, όπως η υπεραγωγιμότητα. Μέτρησαν τα χαρακτηριστικά τάσης ρεύματος ενός μεμονωμένου νανοσωλήνα μονού τοιχώματος με διάμετρο ~1 nm, μεγάλου αριθμού νανοσωλήνων μονού τοιχώματος έλασης σε μια δέσμη, καθώς και μεμονωμένων νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων. Υπεραγώγιμο ρεύμα σε θερμοκρασίες κοντά στα 4Κ έχει παρατηρηθεί μεταξύ δύο υπεραγώγιμων μεταλλικών επαφών. Τα χαρακτηριστικά της μεταφοράς φορτίου σε έναν νανοσωλήνα διαφέρουν σημαντικά από εκείνα που είναι εγγενή στους συνηθισμένους, τρισδιάστατους αγωγούς και, προφανώς, εξηγούνται από τη μονοδιάστατη φύση της μεταφοράς.

Επίσης, ο de Geer από το Πανεπιστήμιο της Λωζάνης (Ελβετία) ανακάλυψε μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα: μια απότομη (περίπου δύο τάξεις μεγέθους) αλλαγή στην αγωγιμότητα με μια μικρή κάμψη 5-10o ενός νανοσωλήνα μονού τοιχώματος. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να επεκτείνει το εύρος των εφαρμογών των νανοσωλήνων. Από τη μία πλευρά, ο νανοσωλήνας αποδεικνύεται ότι είναι ένας έτοιμος, εξαιρετικά ευαίσθητος μετατροπέας μηχανικών κραδασμών σε ηλεκτρικό σήμα και πίσω (στην πραγματικότητα, είναι μια τηλεφωνική συσκευή μήκους πολλών μικρών και διαμέτρου περίπου ενός νανόμετρο) και από την άλλη είναι ένας σχεδόν έτοιμος αισθητήρας των μικρότερων παραμορφώσεων. Ένας τέτοιος αισθητήρας θα μπορούσε να βρει εφαρμογή σε συσκευές που παρακολουθούν την κατάσταση των μηχανικών εξαρτημάτων και εξαρτημάτων από τα οποία εξαρτάται η ασφάλεια των ανθρώπων, για παράδειγμα, επιβατών τρένων και αεροπλάνων, προσωπικού πυρηνικών και θερμικών σταθμών παραγωγής ενέργειας κ.λπ.

Τριχοειδής. Πειράματα έδειξαν ότι ένας ανοιχτός νανοσωλήνας έχει τριχοειδείς ιδιότητες. Για να ανοίξετε τον νανοσωλήνα, πρέπει να αφαιρέσετε το επάνω μέρος - το καπάκι. Μια μέθοδος αφαίρεσης είναι η ανόπτηση των νανοσωλήνων σε θερμοκρασία 850 0 C για αρκετές ώρες σε ροή διοξειδίου του άνθρακα. Ως αποτέλεσμα της οξείδωσης, περίπου το 10% όλων των νανοσωλήνων γίνονται ανοιχτοί. Ένας άλλος τρόπος για να καταστραφούν τα κλειστά άκρα των νανοσωλήνων είναι να μουλιάσουν σε πυκνό νιτρικό οξύ για 4,5 ώρες σε θερμοκρασία 2400 C. Ως αποτέλεσμα αυτής της επεξεργασίας, το 80% των νανοσωλήνων ανοίγει.

Οι πρώτες μελέτες τριχοειδών φαινομένων έδειξαν ότι το υγρό διεισδύει στο κανάλι νανοσωλήνων εάν η επιφανειακή του τάση δεν είναι μεγαλύτερη από 200 mN/m. Επομένως, για την εισαγωγή οποιωνδήποτε ουσιών σε νανοσωλήνες, χρησιμοποιούνται διαλύτες με χαμηλή επιφανειακή τάση. Για παράδειγμα, για την εισαγωγή νανοσωλήνων ορισμένων μετάλλων στο κανάλι, χρησιμοποιείται πυκνό νιτρικό οξύ, του οποίου η επιφανειακή τάση είναι χαμηλή (43 mN/m). Στη συνέχεια πραγματοποιείται ανόπτηση στους 4000 C για 4 ώρες σε ατμόσφαιρα υδρογόνου, η οποία οδηγεί στην αναγωγή του μετάλλου. Με αυτόν τον τρόπο ελήφθησαν νανοσωλήνες που περιείχαν νικέλιο, κοβάλτιο και σίδηρο.

Μαζί με τα μέταλλα, οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να γεμιστούν με αέριες ουσίες, όπως το μοριακό υδρογόνο. Αυτή η ικανότητα είναι πρακτικής σημασίας γιατί ανοίγει τη δυνατότητα ασφαλούς αποθήκευσης υδρογόνου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φιλικό προς το περιβάλλον καύσιμο σε κινητήρες εσωτερικής καύσης. Οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να τοποθετήσουν μέσα σε έναν νανοσωλήνα μια ολόκληρη αλυσίδα φουλλερενίων με άτομα γαδολίνιου ήδη ενσωματωμένα σε αυτά (βλ. Εικ. 5).

Ρύζι. 5. Μέσα C60 μέσα σε νανοσωλήνα μονού τοιχώματος

αντίδραση σε θειικό οξύ που περιέχει χρωμικό ανυδρίτη. Ωστόσο, είναι απαραίτητη η προκαταρκτική αφαίρεση του μεγάλου κλάσματος των κόκκων νανοδιαμαντιών. Παραπομπές 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Inroad to modification of detonation nanodiamond // Diamond and Related Materials, 2006, Vol. 15, σελ. 296-299 2. Πατ. 5-10695, Japan (A), Chromium plating solution, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27/04/1993 3. Dolmatov, V.Yu. Ultrafine diamonds of detonation synthesis ως βάση μιας νέας κατηγορίας σύνθετων γαλβανικών επιστρώσεων μετάλλου-διαμάντι / V.Yu. Dolmatov, G.K. Burkat // Superhard Materials, 2000, T. 1.- P. 84-94 4. Gregory R. Κροκίδωση και καθίζηση - οι βασικές αρχές // Spec. Chem., 1991, Τομ. 11, αρ. 6, σελ. 426-430 UDC 661,66 N.Yu. Biryukova1, A.N. Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Zharikov1 Ρωσικό Χημικό-Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο με το όνομά του. DI. Mendeleev, Moscow, Russia Επιστημονικό Κέντρο Οπτικών Ινών RAS, Μόσχα, Ρωσία 1 2 ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΛΗΦΘΕΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΣ ΠΥΡΟΛΥΣΗΣ ΤΟΥ ΒΕΝΖΕΝΙΟΥ Σε αυτή την εργασία τα αποτελέσματα πειραματικών μελετών καθαρισμού και διαχωρισμού φυσικών φυσικών και πολυτοιχωμάτων nanotubes παρουσιάζονται χημικές μέθοδοι. Η αποτελεσματικότητα κάθε σταδίου έχει ελεγχθεί με τη μελέτη των μορφολογικών χαρακτηριστικών των προϊόντων πυρόλυσης. Η εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα πειραματικών μελετών του καθαρισμού και του διαχωρισμού νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων με χρήση φυσικών και χημικών μεθόδων. Η αποτελεσματικότητα κάθε σταδίου καθαρισμού παρακολουθήθηκε με αλλαγές στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των προϊόντων πυρόλυσης. Η μέθοδος της καταλυτικής πυρόλυσης υδρογονανθράκων είναι μια από τις πολλά υποσχόμενες μεθόδους για τη σύνθεση νανοσωλήνων άνθρακα. Η μέθοδος καθιστά δυνατή την απόκτηση νανοσωλήνων ενός τοιχώματος, πολλαπλών τοιχωμάτων, προσανατολισμένων συστοιχιών νανοδομών άνθρακα με κατάλληλη οργάνωση των παραμέτρων σύνθεσης. Ταυτόχρονα, το προϊόν που λαμβάνεται με πυρόλυση ενώσεων που περιέχουν άνθρακα, μαζί με νανοσωλήνες, περιέχει σημαντική ποσότητα ακαθαρσιών, όπως σωματίδια καταλύτη, άμορφο άνθρακα, φουλερένια κ.λπ. Για την απομάκρυνση αυτών των ακαθαρσιών, συνήθως χρησιμοποιούνται φυσικές μέθοδοι ( φυγοκέντρηση, υπερήχων, διήθηση) σε συνδυασμό με χημικά (οξείδωση σε αέρια ή υγρά μέσα σε υψηλές θερμοκρασίες). Η εργασία δοκίμασε μια συνδυασμένη τεχνική για τον καθαρισμό και τον διαχωρισμό νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων από παραπροϊόντα και προσδιόρισε την αποτελεσματικότητα διαφόρων αντιδραστηρίων. Η αρχική εναπόθεση ελήφθη με καταλυτική πυρόλυση βενζολίου χρησιμοποιώντας πεντακαρβονύλιο σιδήρου ως προκαταλύτη. Το κοίτασμα επεξεργάστηκε με υδροχλωρικό, θειικό και νιτρικό οξύ. Τα συσσωματώματα νανοσωλήνων διασπάστηκαν με υπερήχους σε συχνότητα 22 kHz. Για να διαχωριστεί η απόθεση σε κλάσματα, χρησιμοποιήθηκε φυγοκέντρηση (3000 rpm, χρόνος επεξεργασίας - έως 1 ώρα). Εκτός από το οξύ, η θερμική επεξεργασία νανοσωλήνων με χρήση U S P E X I χρησιμοποιήθηκε επίσης στη χημεία και τη χημική τεχνολογία. Τόμος ΧΧΙ. 2007. Νο 8 (76) 56 αέρα. Για να επιτευχθεί ο καλύτερος καθαρισμός, καθορίστηκε η βέλτιστη αλληλουχία διαφορετικών μεθόδων. Τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των προϊόντων πυρόλυσης και ο βαθμός καθαρισμού παρακολουθήθηκαν με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, φασματοσκοπία Raman και ανάλυση φάσης ακτίνων Χ. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Ινστιτούτο Moskalenko Novomoskovsk του Ρωσικού Χημικού-Τεχνολογικού Πανεπιστημίου με το όνομά του. DI. Mendeleev, Novomoskovsk, Ρωσία ΕΠΙΡΡΟΗ ΤΩΝ ΝΑΝΟΔΟΜΩΝ ΣΤΙΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΕΚΧΥΛΙΣΗΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΝΕΡΟ – ErCl3 – D2EHPA – ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΠΕΤΑΝΙΟΥ Το κινητικό χαρακτηριστικό του εξαγόμενου Er(III) η λύση του D2EHPA στην κεντραρισμένη περιοχή του επτανίου, η υψηλή ταχύτητα του επτανίου συσσώρευση σε δυναμικά διεπιφανειακά στρώματα στην αρχή της διαδικασίας, η ακραία διάθεση σε αναθεώρηση ανάλογα με το πάχος των δυναμικών διεπιφανειακών στρωμάτων από αναλογία συγκέντρωσης στοιχείου και διαλύτη) υποδεικνύονται σε σημαντικό μέρος των νανοδομών στη διαδικασία εκχύλισης. Τα κινητικά χαρακτηριστικά της εκχύλισης του ερβίου (III) από διαλύματα D2EHPA σε επτάνιο (πλατώ συγκέντρωσης στις κινητικές καμπύλες, ο υψηλός ρυθμός συσσώρευσής του στο DMS στην αρχή της διαδικασίας, η ακραία φύση της εξάρτησης του παρατηρούμενου πάχους του DMS σχετικά με την αναλογία των συγκεντρώσεων του στοιχείου και του εκχυλιστή) υποδεικνύουν τον σημαντικό ρόλο των νανοδομών στη διαδικασία εκχύλισης. Είναι γνωστό ότι διάφορα νανοαντικείμενα μπορούν να εμφανιστούν σε συστήματα εκχύλισης: στρώματα προσρόφησης, μικκύλια, μικκυλιακά πηκτώματα, κυστίδια, πηκτώματα πολυμερών, κρυσταλλικά πηκτώματα, μικρογαλάκτωμα, νανοδιασπορά, γαλάκτωμα. Συγκεκριμένα, στο σύστημα La(OH)3-D2EHPA-δεκανίου-νερού σχηματίζεται ένα οργανοπήγμα, η χωρική δομή του οποίου είναι κατασκευασμένη από ραβδοσχήμα σωματίδια με διάμετρο ≈0,2 και μήκος 2-3 μm. Το άλας νατρίου του D2EHPA απουσία νερού σχηματίζει αντίστροφα κυλινδρικά μικκύλια με ακτίνα 53 nm. Στη διατομή του μικκυλίου υπάρχουν τρία μόρια NaD2EHP, προσανατολισμένα με πολικές ομάδες προς το κέντρο και υδρογονανθρακικές αλυσίδες προς τον οργανικό διαλύτη. Η κατάσταση ενός τέτοιου πλέγματος εξαρτάται από τη φύση του στοιχείου. Στην περίπτωση του Co(D2EHP)2, σχηματίζονται μακρομοριακές δομές με αριθμό συσσωμάτωσης μεγαλύτερο από 225. Στην περίπτωση του Ni(D2EHP)2 (πιθανώς Ni(D2EHP)2⋅2H2O), εμφανίζονται συσσωματώματα με αριθμό συσσωμάτωσης ≈5,2 . Υπό ορισμένες συνθήκες, είναι δυνατός ο σχηματισμός μοριακών δομών πολυμερούς με υδροδυναμική ακτίνα ≈15 nm. Όταν το λανθάνιο εκχυλίζεται με διαλύματα D2EHPA, σχηματίζεται ογκώδες και δομικά άκαμπτο αλκυλοφωσφορικό λανθάνιο, το οποίο προκαλεί μείωση της ελαστικότητας της μονοστοιβάδας αλκυλοφωσφορικού λανθανίου στη διεπιφάνεια φάσης. Ο σχηματισμός νανοδομών επηρεάζει τόσο τις ιδιότητες ισορροπίας του συστήματος όσο και την κινητική της διαδικασίας. Η εξαγωγή στοιχείων σπάνιων γαιών περιπλέκεται από την εμφάνιση πολυάριθμων διεργασιών διεπαφής, όπως η εμφάνιση και ανάπτυξη αυθόρμητης μεταφοράς επιφανειών (SSC), ο σχηματισμός δομικού-μηχανικού φραγμού, η διασπορά φάσης κ.λπ. Ως αποτέλεσμα της χημικής αντίδρασης μεταξύ του D2EHPA και του στοιχείου, σχηματίζεται ένα ελάχιστα διαλυτό άλας, το οποίο προκαλεί το σχηματισμό νανοδομών σύμφωνα με τον μηχανισμό «από το μικρότερο στο μεγαλύτερο». Ο σκοπός αυτής της εργασίας ήταν να προσδιορίσει την επίδραση των νανοδομών στα κινητικά χαρακτηριστικά της εκχύλισης του ερβίου (III) με διαλύματα D2EHPA σε επτάνιο. U S P E X I στη χημεία και τη χημική τεχνολογία. Τόμος ΧΧΙ. 2007. Νο 8 (76) 57

Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Δημοσιεύτηκε στο http://www.allbest.ru/

Εισαγωγή

Η νανοτεχνολογία - η επιστήμη της κατασκευής και των ιδιοτήτων των τεχνικών στοιχείων σε ατομικό και μοριακό επίπεδο - είναι πλέον στα χείλη όλων. Οι νανοσυσκευές και οι νανομηχανές που κατασκευάζονται από τέτοια στοιχεία κινούνται ήδη από τη σφαίρα της φαντασίας στη σύγχρονη ζωή. Και μέρος αυτής της επιστήμης είναι ο ταχέως αναπτυσσόμενος κλάδος της έρευνας για νανοσωλήνες και φουλερένιο, ο οποίος έχει προσελκύσει εκατοντάδες ερευνητικές ομάδες φυσικών, χημικών και επιστημόνων υλικών.

Το πρόβλημα της δημιουργίας νανοδομών με συγκεκριμένες ιδιότητες και ελεγχόμενα μεγέθη είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα του 21ου αιώνα. Η λύση του θα φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική, την επιστήμη των υλικών, τη μηχανική, τη χημεία, την ιατρική και τη βιολογία.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) είναι μοναδικά μακρομοριακά συστήματα. Η πολύ μικρή τους διάμετρος νανομέτρων και το μεγάλο μήκος μικρομέτρων υποδεικνύουν ότι είναι πιο κοντά στη δομή τους στα ιδανικά μονοδιάστατα συστήματα (ID). Ως εκ τούτου, τα CNT είναι ιδανικά αντικείμενα για τη δοκιμή της θεωρίας των κβαντικών φαινομένων, ιδίως της κβαντικής μεταφοράς σε συστήματα στερεάς κατάστασης χαμηλής διάστασης. Είναι χημικά και θερμικά σταθερά έως τουλάχιστον 2000 K, έχουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και μοναδικές αντοχές και μηχανικά χαρακτηριστικά.

Η απλότητα της δομής των νανοσωλήνων επιτρέπει την ανάπτυξη θεωρητικών μοντέλων δομών που κατασκευάζονται από αυτούς. Επομένως, νέες απροσδόκητες εφαρμογές περιμένουν τους CNT στο μέλλον, ειδικά για εφαρμογές στη βιολογία (χειρισμός μορίων μέσα σε ένα κύτταρο, τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, νανομηχανική μνήμη κ.λπ.).

1. Νανοσωλήνες μονού τοιχώματος

1.1 Άνοιγμα

Στις αρχές του 1993, αρκετές ομάδες επιστημόνων ανακοίνωσαν ότι ξένα υλικά θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε νανοσωματίδια άνθρακα ή νανοσωλήνες χρησιμοποιώντας τροποποιημένα ηλεκτρόδια μέσω μιας διαδικασίας εξάτμισης τόξου. Η ομάδα του Rodney Ruoff στην Καλιφόρνια και η ομάδα του Yahachi Saito στην Ιαπωνία έλαβαν εγκλωβισμένους κρυστάλλους LaC 2 χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια με πρόσμιξη λανθανίου, ενώ ο Suppapan Serafin και οι συνεργάτες του ανέφεραν ότι το YC 2 μπορεί να ενσωματωθεί σε νανοσωλήνες χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια που περιέχουν ύττριο. Αυτή η εργασία άνοιξε ένα εντελώς νέο πεδίο που βασίζεται σε νανοσωματίδια και νανοσωλήνες ως «μοριακά δοχεία», αλλά οδήγησε επίσης έμμεσα σε μια εντελώς διαφορετική ανακάλυψη με εξίσου σημαντικές εφαρμογές.

Ο Donald Bethune και οι συνάδελφοί του στο Ερευνητικό Κέντρο IBM Almaden στο San Luis της Καλιφόρνια, ενδιαφέρθηκαν πολύ για τα άρθρα του Ruoff και άλλων. Αυτή η ομάδα εργαζόταν πάνω σε μαγνητικά υλικά στις εφαρμογές της στην αποθήκευση πληροφοριών και πίστευε ότι οι κρυστάλλοι σιδηρομαγνητικών μετάλλων μετάπτωσης εγκλωβισμένοι σε άνθρακα θα μπορούσαν να είναι πολύ πολύτιμοι σε αυτό το πεδίο. Σε τέτοια υλικά, τα ενθυλακωμένα μεταλλικά σωματίδια πρέπει να διατηρούν τις μαγνητικές ροπές τους και ταυτόχρονα να απομονώνονται χημικά και μαγνητικά από τους γείτονές τους. Για αρκετά χρόνια αυτός ο όμιλος της IBM εργάστηκε πάνω σε "εσουεδρικά φουλερένια". φουλερένια που περιέχουν μικρό αριθμό ατόμων μετάλλου στο εσωτερικό τους. Αλλά μεγάλα σμήνη ή κρύσταλλοι μέσα σε κύτταρα που μοιάζουν με φουλερένιο θα μπορούσαν να έχουν μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον. Ο Bethune λοιπόν αποφάσισε να δοκιμάσει μερικά πειράματα εξάτμισης τόξου χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια εμποτισμένα με τα σιδηρομαγνητικά μέταλλα μετάπτωσης σίδηρο, κοβάλτιο και νικέλιο. Ωστόσο, το αποτέλεσμα αυτού του πειράματος δεν ήταν καθόλου το αναμενόμενο. Πρώτα απ 'όλα, η αιθάλη που παράγεται από την εξάτμιση τόξου δεν ήταν παρόμοια με το συνηθισμένο υλικό που παράγεται από την εξάτμιση τόξου καθαρού γραφίτη. Στρώματα αιθάλης κρέμονταν σαν ιστός αράχνης από τα τοιχώματα του θαλάμου, ενώ το υλικό που εναποτέθηκε στους τοίχους είχε την υφή του καουτσούκ και μπορούσε να αποξεσθεί σε λωρίδες. Όταν ο Bethune και ο συνάδελφός του Robert Beyers δοκίμασαν αυτό το παράξενο νέο υλικό χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης, έμειναν έκπληκτοι όταν διαπίστωσαν ότι περιείχε πολλούς νανοσωλήνες με τοιχώματα ίδια με ένα μόνο ατομικό στρώμα. Αυτοί οι όμορφοι σωλήνες αναμειγνύονταν με άμορφη αιθάλη και σωματίδια μετάλλου ή καρβιδίου μετάλλου που στήριζαν το υλικό σε μια μορφή που ταίριαζε με την παράξενη υφή του. Αυτή η εργασία έγινε αποδεκτή για δημοσίευση στο Nature και εμφανίστηκε τον Ιούνιο του 1993. Μικρογραφίες από αυτό το άρθρο φαίνονται στο Σχήμα 1.1.

Εικόνα 1.1 - Στιγμιότυπα από την εργασία των Bethune και συνεργατών που δείχνουν νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος που παράγονται από συνεξάτμιση γραφίτη και κοβαλτίου. Οι σωλήνες έχουν διάμετρο περίπου 1,2 nm.

Ανεξάρτητα από την αμερικανική ομάδα, οι Sumio Iijima και Toshinari Ichihashi της NEC Laboratories στην Ιαπωνία πειραματίστηκαν επίσης με την εξάτμιση τόξου χρησιμοποιώντας τροποποιημένα ηλεκτρόδια. Επιπλέον, τους ενδιέφερε η επίδραση της αλλαγής της ατμόσφαιρας μέσα στον θάλαμο εξάτμισης τόξου. Όπως ο Bethune και οι συνάδελφοί του, ανακάλυψαν ότι υπό ορισμένες συνθήκες παράγεται ένα εντελώς διαφορετικό είδος αιθάλης, διαφορετικό από αυτό που συνήθως σχηματίζεται από την εξάτμιση τόξου. Για τη μελέτη αυτή, Ιάπωνες επιστήμονες ενσωμάτωσαν σίδηρο στα ηλεκτρόδιά τους και χρησιμοποίησαν ένα μείγμα μεθανίου και αργού αντί για ήλιο ως ατμόσφαιρα. Όταν εξετάστηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης, ανακαλύφθηκε ότι το υλικό μιας τέτοιας εξάτμισης τόξου περιείχε πολύ αξιόλογους νανοσωλήνες, που εκτείνονταν σαν νήματα μεταξύ συστάδων άμορφου υλικού ή μεταλλικών σωματιδίων. Οι νανοσωλήνες ενός τοιχώματος διαφέρουν από εκείνους που παράγονται από συνεχή εξάτμιση τόξου στο ότι έχουν πολύ στενή κατανομή διαμέτρου. Στην περίπτωση των «κανονικών» σωλήνων, η εσωτερική διάμετρος κυμαίνεται από 1,5 έως 15 nm και η εξωτερική διάμετρος κυμαίνεται από 2,5 έως 30 nm. Από την άλλη πλευρά, οι νανοσωλήνες μονού τοιχώματος έχουν όλοι πολύ παρόμοιες διαμέτρους. Στο υλικό του Bethune και των συνεργατών τους, οι νανοσωλήνες είχαν διάμετρο 1,2 (±0,1) nm, ενώ ο Iijimai Ichihashi διαπίστωσε ότι οι διάμετροι των σωλήνων κυμαίνονταν από 0,7 έως 1,6 nm, με κέντρο περίπου 1,05 nm. Όπως οι σωλήνες που παράγονται με τη συμβατική εξάτμιση τόξου, οι νανοσωλήνες ενός τοιχώματος ήταν όλοι καλυμμένοι και δεν υπήρχε καμία ένδειξη για την παρουσία μεταλλικών σωματιδίων καταλύτη στα άκρα αυτών των σωλήνων. Ωστόσο, πιστεύεται ότι η ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος είναι ουσιαστικά καταλυτική.

1.2 Μεταγενέστερες εργασίες σε νανοσωλήνες μονού τοιχώματος

Σε συνέχεια της αρχικής θεμελιώδους έρευνας, ο Donald Bethune και οι συνάδελφοί του στην IBM στο San Jose, σε συνεργασία με επιστήμονες από το Caltech, το Polytechnic Institute και το Virginia State University, πραγματοποίησαν μια σειρά μελετών για την παρασκευή νανοσωλήνων μονού τοιχώματος χρησιμοποιώντας μια ποικιλία «καταλύτες». Σε μια από τις πρώτες σειρές, έδειξαν ότι η προσθήκη θείου και κοβαλτίου στην άνοδο (είτε ως καθαρό S είτε ως CoS) είχε ως αποτέλεσμα νανοσωλήνες με ευρύτερο φάσμα διαμέτρων από αυτούς που παράγονται μόνο με το κοβάλτιο. Έτσι, λήφθηκαν νανοσωλήνες μονού τοιχώματος με διάμετρο από 1 έως 6 nm όταν βρέθηκε θείο στην κάθοδο, σε σύγκριση με 1-2 nm στην περίπτωση του καθαρού κοβαλτίου. Στη συνέχεια αποδείχθηκε ότι το βισμούθιο και ο μόλυβδος μπορούσαν παρομοίως να προάγουν το σχηματισμό σωλήνων μεγάλης διαμέτρου.

Το 1997, μια γαλλική ομάδα έδειξε ότι ακόμη και με εξάτμιση τόξου είναι δυνατό να επιτευχθεί υψηλή απόδοση νανοσωλήνων. Η μέθοδός τους ήταν παρόμοια με την αρχική τεχνική του Bethune και των συναδέλφων του, αλλά χρησιμοποίησαν μια ελαφρώς διαφορετική γεωμετρία αντιδραστήρα. Επίσης, ο καταλύτης που χρησιμοποιήθηκε ήταν ένα μίγμα νικελίου/υττρίου και όχι το κοβάλτιο που προτιμούσε η ομάδα του Bethune. Διαπιστώθηκε ότι ο μεγαλύτερος αριθμός νανοσωλήνων σχηματίστηκε στο «κολάρο» γύρω από το κοίτασμα της καθόδου, το οποίο αποτελούσε περίπου το 20% της συνολικής μάζας του εξατμιζόμενου υλικού. Η πλήρης απόδοση των σωλήνων υπολογίστηκε στο 70-90%. Η εξέταση του υλικού του κολάρου με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης αποκάλυψε την παρουσία πολλών δεσμίδων σωλήνων με διάμετρο περίπου 1,4 nm. Αυτή η απόδοση και η εμφάνιση των σωλήνων που προκύπτουν είναι παρόμοια με τα δείγματα "δέσμης" της ομάδας Smalley που χρησιμοποιούν εξάτμιση λέιζερ.

Στα τέλη του 1993, ο Shekhar Subramoni της DuPont στο Wilmington του Delaware, σε συνεργασία με ερευνητές στο SPI International, περιέγραψε την παραγωγή νανοσωλήνων μονού τοιχώματος με διαφορετικό τρόπο. Αυτοί οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξάτμιση τόξου χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια γεμάτα γαδολίνιο για να συλλέξουν αιθάλη από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα. Μαζί με μεγάλες ποσότητες άμορφου άνθρακα, η αιθάλη περιείχε δομές τύπου "αχινού" που περιείχαν νανοσωλήνες μονού τοιχώματος που αναπτύσσονταν σε σχετικά μεγάλα σωματίδια καρβιδίου του γαδολινίου (με τυπικές διαστάσεις δεκάδων νανομέτρων). Τέτοιοι σωλήνες ήταν κοντύτεροι από εκείνους που αποκτήθηκαν με μέταλλα της ομάδας σιδήρου, αλλά είχαν το ίδιο εύρος διαμέτρων. Μεταγενέστερη έρευνα έδειξε ότι ακτινωτοί νανοσωλήνες μονού τοιχώματος θα μπορούσαν να σχηματιστούν σε μια ποικιλία άλλων μετάλλων, όπως το λανθάνιο και το ύττριο. Το Σχήμα 1.2, που λαμβάνεται από την εργασία του Saito και των συνεργατών του, δείχνει μια τυπική εικόνα νανοσωλήνων μονού τοιχώματος που αναπτύσσονται ακτινικά από ένα σωματίδιο που περιέχει λανθάνιο. Σε αντίθεση με τα μέταλλα της ομάδας σιδήρου, τα στοιχεία σπάνιων γαιών δεν είναι γνωστά ως καταλύτες για την παραγωγή νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων, επομένως ο σχηματισμός σωλήνων σε αυτά είναι αρκετά εκπληκτικός. Το γεγονός ότι οι σωλήνες αναπτύσσονται σε σχετικά μεγάλα σωματίδια υποδηλώνει ότι αυτός ο μηχανισμός ανάπτυξης είναι διαφορετικός. Έχει προταθεί ότι η ανάπτυξη σωλήνων σε επιφάνειες σωματιδίων μπορεί να περιλαμβάνει την απελευθέρωση υπερκορεσμένων ατόμων άνθρακα από το εσωτερικό των σωματιδίων καρβιδίου. Σημειώστε ότι η ακτινική ανάπτυξη πολυστρωματικών σωλήνων καταλυτικών σωματιδίων παρατηρήθηκε πριν από πολλά χρόνια από τον Baker και άλλους.

Οι μέθοδοι που συζητήθηκαν μέχρι τώρα για την παραγωγή νανοσωλήνων μονού τοιχώματος περιελάμβαναν εξάτμιση τόξου χρησιμοποιώντας τροποποιημένα ηλεκτρόδια. Η εργασία του Smalley και των συνεργατών του έδειξε ότι οι νανοσωλήνες μονού τοιχώματος μπορούν επίσης να συντεθούν χρησιμοποιώντας μια καθαρά καταλυτική μέθοδο. Ο καταλύτης, χρησιμοποιώντας σωματίδια μολυβδαινίου με διάμετρο πολλών νανόμετρων, βρισκόταν σε αλουμίνιο. Όλα αυτά τοποθετήθηκαν μέσα σε έναν σωληνωτό κλίβανο, μέσω του οποίου διοχετεύθηκε μονοξείδιο του άνθρακα σε θερμοκρασία 1200 °C. Αυτή η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλότερη από αυτή που χρησιμοποιείται συνήθως στην καταλυτική παραγωγή νανοσωλήνων, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει γιατί σχηματίζονται νανοσωλήνες μονού και όχι πολλαπλών τοιχωμάτων.

Οι καταλυτικά παρασκευασμένοι σωλήνες μιας στρώσης είχαν μια σειρά από ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά που τους ξεχώριζαν από τους σωλήνες που συντέθηκαν με εξάτμιση τόξου. Πρώτον, οι καταλυτικοί σωλήνες είχαν συνήθως μικρά μεταλλικά σωματίδια προσαρτημένα στο άκρο, όπως και οι πολυστρωματικοί σωλήνες που παράγονται από την κατάλυση. Υπήρχε επίσης ένα ευρύ φάσμα διαμέτρων σωματιδίων (περίπου 1-5 nm) και φαινόταν ότι η διάμετρος κάθε σωλήνα καθοριζόταν από τη διάμετρο του αντίστοιχου σωματιδίου καταλύτη. Τέλος, οι καταλυτικά διαμορφωμένοι σωλήνες μονής στρώσης ήταν συνήθως απομονωμένοι και όχι δεσμευμένοι, όπως συμβαίνει με τους σωλήνες εξάτμισης με τόξο.

Αυτές οι παρατηρήσεις οδήγησαν τον Smalley και τους συναδέλφους του να προτείνουν έναν μηχανισμό ανάπτυξης για καταλυτικά διαμορφωμένους σωλήνες που περιλαμβάνει τον αρχικό σχηματισμό ενός καλύμματος μονής στρώσης (το οποίο ονόμασαν yarmulke, το εβραϊκό όνομα για ένα κάλυμμα κρανίου), ακολουθούμενο από την ανάπτυξη αυτού του καπακιού ως διασπάται από τα καταλυτικά σωματίδια, τα οποία στη συνέχεια εγκαταλείπουν τον σωλήνα. Αυτός ο μηχανισμός είναι εντελώς διαφορετικός από αυτόν που πρότειναν για την ανάπτυξη σωλήνων μονής στρώσης με εξάτμιση λέιζερ.

Εικόνα 1.2 - Νανοσωλήνες μονού τοιχώματος που αναπτύσσονται σε σωματίδιο λανθανίου

Εικόνα 1.3 - Εικόνες TEM δειγμάτων από «δέσμες» νανοσωλήνων μονού τοιχώματος (α)

Εικόνα χαμηλής ανάλυσης που δείχνει μεγάλο αριθμό δεσμίδων, (β) Μικρογραφία υψηλής ανάλυσης μιας μεμονωμένης δέσμης που εμφανίζεται κατά μήκος του άξονά της.

1.3 Δέσμες νανοσωλήνων

Από την ανακάλυψη του C60 στο Rais το 1985, η ομάδα του Smalley έχει επικεντρωθεί στη χρήση λέιζερ στη σύνθεση υλικών που μοιάζουν με φουλερένιο. Το 1995, ανέφεραν την ανάπτυξη της τεχνολογίας σύνθεσης λέιζερ, η οποία τους επέτρεψε να αποκτήσουν νανοσωλήνες μονού τοιχώματος υψηλής απόδοσης. Οι επακόλουθες βελτιώσεις σε αυτή τη μέθοδο οδήγησαν στην παραγωγή νανοσωλήνων μονού τοιχώματος με ασυνήθιστα ομοιόμορφες διαμέτρους. Η καλύτερη απόδοση ομοιόμορφων νανοσωλήνων μονού τοιχώματος επιτεύχθηκε με ένα καταλυτικό μείγμα που αποτελείται από ίσα μέρη Co και Ni και χρησιμοποιήθηκε διπλός παλμός για να εξασφαλιστεί πιο ομοιόμορφη εξάτμιση ενός τέτοιου στόχου.

Αρκετές μικρογραφίες υλικού που λαμβάνεται με αυτήν την τεχνολογία φαίνονται στο Σχήμα 1.3. Σε γενική εμφάνιση μοιάζει πολύ με το υλικό εξάτμισης τόξου. Ωστόσο, οι μεμονωμένοι σωλήνες τείνουν να σχηματίζουν «δέσμες» ή εκτεταμένες δέσμες που αποτελούνται από μεμονωμένους σωλήνες ίδιας διαμέτρου. Μερικές φορές ήταν δυνατό να ανιχνευθούν δέσμες που περνούσαν σε κοντινή απόσταση από την κατεύθυνση της δέσμης ηλεκτρονίων, έτσι ώστε να μπορούν να φαίνονται «από άκρη σε άκρη», όπως στο Σχήμα 1.3(β). Εκτός από την ηλεκτρονική μικροσκοπία, ο Smalley και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν μετρήσεις περίθλασης ακτίνων Χ στα δείγματα σχοινιού σε συνεργασία με τον John Fisher και τους συν-συγγραφείς του στο Pennsylvania State University. Λήφθηκαν καλά καθορισμένες αντανακλάσεις από το δισδιάστατο πλέγμα, επιβεβαιώνοντας ότι οι σωλήνες είχαν τις ίδιες διαμέτρους. Βρέθηκε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα με την υπόθεση ότι η διάμετρος των νανοσωλήνων ήταν 1,38 nm με σφάλμα ±0,02 nm. Το διάκενο van der Waals μεταξύ των σωλήνων βρέθηκε να είναι 0,315 nm, παρόμοιο με αυτό του κρυσταλλικού C60. Από μελέτες XRD, συνήχθη το συμπέρασμα ότι αυτές οι δέσμες αποτελούνται κυρίως από (10,10) νανοσωλήνες πολυθρόνας. Αυτό επιβεβαιώθηκε ξεκάθαρα από μετρήσεις της νανοδιάθλασης ηλεκτρονίων της δέσμης ηλεκτρονίων, έτσι ώστε να μπορούν να φαίνονται «από άκρη σε άκρη», όπως στο Σχήμα 1.3(β).

2. Θεωρίες ανάπτυξης νανοσωλήνων

2.1 Γενικές σημειώσεις

Είναι σημαντικό να εξεταστεί πρώτα η επίδραση στην ανάπτυξη της δομής του σωλήνα. Στην εργασία του στο Nature το 1991, ο Iijima επεσήμανε ότι μια ελικοειδής δομή φαινόταν να είναι προτιμότερη επειδή τέτοιοι σωλήνες έχουν επαναλαμβανόμενο βήμα στο αναπτυσσόμενο άκρο. Αυτή η υπόθεση, που απεικονίζεται στο Σχήμα 2, είναι πολύ παρόμοια με την εμφάνιση μιας εξάρθρωσης βίδας στην επιφάνεια ενός κρυστάλλου. Οι νανοσωλήνες πολυθρόνας και ζιγκ-ζαγκ δεν έχουν αυτή την προτιμώμενη δομή για ανάπτυξη και πρέπει να απαιτούν την επαναλαμβανόμενη πυρήνωση ενός νέου δακτυλίου εξαγώνων. Αυτό υποδηλώνει ότι οι ελικοειδείς νανοσωλήνες θα πρέπει να παρατηρούνται πιο συχνά από τους νανοσωλήνες πολυθρόνας ή ζιγκ-ζαγκ, αν και δεν υπάρχουν επί του παρόντος επαρκή πειραματικά στοιχεία για να το υποστηρίξουν αυτό.

Εικόνα 2. - Σχέδιο δύο ομόκεντρων σπειροειδών σωλήνων, που δείχνει την παρουσία βημάτων στα αναπτυσσόμενα άκρα (5)

Στη συνέχεια, υπάρχει ένα πολύ σημαντικό ερώτημα για τον μηχανισμό ανάπτυξης - οι σωλήνες ανάπτυξης έχουν κλειστά ή ανοιχτά άκρα; Ένα πρώιμο μοντέλο ανάπτυξης νανοσωλήνων, που προτάθηκε για πρώτη φορά από τους Endo και Kroto, ευνόησε έναν μηχανισμό κλειστού άκρου. Υπέθεσαν ότι τα άτομα άνθρακα θα μπορούσαν να εισαχθούν σε μια κλειστή επιφάνεια φουλλερενίου σε θέσεις κοντά στους πενταγωνικούς δακτυλίους, ακολουθούμενη από μια μετάβαση σε μια κατάσταση ισορροπίας, η οποία θα είχε ως αποτέλεσμα μια συνεχή τάνυση του αρχικού φουλλερενίου. Προς υποστήριξη αυτής της ιδέας, οι Endo και Croteau ανέφεραν την απόδειξη του Ulmer και των συνεργατών ότι τα C60 και C70 μπορούν σαφώς να αναπτυχθούν σε μεγάλα φουλερένια όταν προστίθενται μικρά θραύσματα άνθρακα.

Ενώ ο μηχανισμός Endo-Croteau παρέχει μια εύλογη εξήγηση για την ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος, παραμένει μια σημαντική πρόκληση να εξηγηθεί η ανάπτυξη πολλαπλών στρωμάτων. Κατά τη θεώρησή τους, τα μοντέλα Endo και Croteau υποδηλώνουν ότι η πολυστρωματική ανάπτυξη μπορεί να συμβεί "επιταξιακά". Εάν συμβαίνει αυτό, δεν φαίνεται να υπάρχει προφανής λόγος για τον οποίο ένα δεύτερο στρώμα δεν θα πρέπει να αρχίσει να αναπτύσσεται αμέσως μετά το σχηματισμό του αρχικού φουλερενίου και μόλις κλείσει το δεύτερο στρώμα, οποιαδήποτε περαιτέρω επέκταση του εσωτερικού σωλήνα θα πρέπει να καταστεί αδύνατη. Αυτό όμως έρχεται σε αντίθεση με την παρατήρηση ότι οι περισσότεροι σωλήνες είναι πολυεπίπεδοι σε όλο το μήκος τους. Ένα τέτοιο μοντέλο έχει επίσης δυσκολίες στην εξήγηση των δομών πολλαπλών διαμερισμάτων. Για αυτούς τους λόγους, ο μηχανισμός ανάπτυξης κλειστού τύπου Endo-Croto δεν έχει γίνει ευρέως αποδεκτός.

Το συμπέρασμα ότι ο μηχανισμός ανάπτυξης πρέπει να συμβαίνει με το ανοιχτό άκρο του σωλήνα είναι κατά κάποιο τρόπο προτιμότερο. Όπως είπε ο Richard Smalley, «Αν μάθαμε κάτι από το 1984-1985 για το πώς συμπυκνώνεται ο άνθρακας, είναι ότι τα ανοιχτά φύλλα θα πρέπει να συνδέουν εύκολα τα πεντάγωνα για να εξαλείψουν τους δεσμούς που κρέμονται». Το πρόβλημα των σωλήνων που παραμένουν με ανοιχτό άκρο υπό συνθήκες ευνοϊκές για το κλείσιμό τους είναι ένα από εκείνα τα προβλήματα που έχει εξεταστεί από αρκετούς συγγραφείς.

2.2 Γιατί οι νανοσωλήνες παραμένουν ανοιχτοί κατά την ανάπτυξη

Μερικοί συγγραφείς, ιδίως ο Smalley και οι συνεργάτες του, έχουν προτείνει ότι το ηλεκτρικό πεδίο στο τόξο μπορεί να παίζει σημαντικό ρόλο στη διατήρηση των σωλήνων ανοιχτών κατά την ανάπτυξη. Πιο σωστά, αυτό θα έπρεπε να είχε βοηθήσει να κατανοήσουμε γιατί οι νανοσωλήνες δεν βρίσκονται ποτέ σε αιθάλη που συμπυκνώνεται στα τοιχώματα του θαλάμου εξάτμισης τόξου. Ωστόσο, οι υπολογισμοί έχουν δείξει ότι η επαγόμενη από το πεδίο μείωση της ενέργειας ανοιχτού άκρου δεν επαρκεί για να σταθεροποιήσει την ανοιχτή διαμόρφωση, εκτός από τα μη ρεαλιστικά υψηλά πεδία. Ως εκ τούτου, αναπτύχθηκε ένα κομψό μοντέλο στο οποίο το άτομο είναι «συγκολλημένο» μεταξύ των στρωμάτων, βοηθώντας στη σταθεροποίηση του σχηματισμού του ανοιχτού άκρου αντί στο κλείσιμό του.

Αυτή η ιδέα επιβεβαιώθηκε από πειράματα για το κλείσιμο μεμονωμένων νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων με και χωρίς την εφαρμογή διαφοράς τάσης. Ένα τέτοιο μοντέλο μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση της ανάπτυξης των νανοσωλήνων σε ένα τόξο, αλλά δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην περίπτωση ανάπτυξης σωλήνων, όπου δεν υπάρχουν ισχυρά ηλεκτρικά πεδία. Αυτό οδήγησε ορισμένους συγγραφείς να προτείνουν ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενσωματωμένων ομόκεντρων σωλήνων και μόνο μπορεί να είναι απαραίτητες για τη σταθεροποίηση ανοιχτών σωλήνων.

Μια λεπτομερής ανάλυση της αλληλεπίδρασης δύο συνδυασμένων σωλήνων πραγματοποιήθηκε από τον Jean-Christophe Charlier και τους συνεργάτες του χρησιμοποιώντας μεθόδους μοριακής δυναμικής. Εξέτασαν έναν σωλήνα (10,0) μέσα σε έναν (18,0) σωλήνα και διαπίστωσαν ότι σχηματίστηκαν συνδέσεις γεφύρωσης μεταξύ των άκρων των δύο σωλήνων. Διαπιστώθηκε ότι σε υψηλές θερμοκρασίες (3000 K) η διαμόρφωση των συνεκτικών δομών σύνδεσης κυμαίνεται συνεχώς. Θεωρήθηκε ότι η κυμαινόμενη δομή θα πρέπει να δημιουργήσει ενεργές θέσεις για την προσρόφηση και την εισαγωγή νέων ατόμων άνθρακα, προωθώντας έτσι την ανάπτυξη του σωλήνα.

Το πρόβλημα με αυτή τη θεωρία είναι ότι δεν μπορεί να εξηγήσει την ανάπτυξη σωλήνων μονού τοιχώματος μεγάλης διαμέτρου υπό θερμική επίδραση στην αιθάλη φουλλερενίου. Γενικά, επί του παρόντος, δεν φαίνεται να υπάρχει πλήρης εξήγηση για την ανάπτυξη των ανοικτών νανοσωλήνων.

2.3 Ιδιότητες πλάσματος τόξου

Τα περισσότερα μοντέλα ανάπτυξης νανοσωλήνων που συζητήθηκαν προηγουμένως υποθέτουν ότι οι σωλήνες πυρηνώνονται και αναπτύσσονται στο πλάσμα τόξου. Ωστόσο, ορισμένοι συγγραφείς έχουν εξετάσει τη φυσική κατάσταση του ίδιου του πλάσματος και τον ρόλο του στο σχηματισμό νανοσωλήνων. Η πιο λεπτομερής συζήτηση αυτού του προβλήματος έγινε από τον Evgeniy Gamaley, ειδικό στη φυσική του πλάσματος, και τον Thomas Ebbesen (30, 31). Αυτό είναι ένα περίπλοκο ζήτημα και εδώ είναι δυνατή μόνο μια σύντομη περίληψη.

Οι Gamaley και Ebbesen ξεκινούν με την υπόθεση ότι οι νανοσωλήνες και τα νανοσωματίδια σχηματίζονται στην περιοχή του τόξου κοντά στην επιφάνεια της καθόδου. Έτσι αναλύουν την πυκνότητα και την ταχύτητα των ατμών άνθρακα στην περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμοκρασία και τις ιδιότητες του ίδιου του τόξου, προκειμένου να αναπτύξουν το μοντέλο τους. Πιστεύουν ότι στο στρώμα των ατμών άνθρακα κοντά στην επιφάνεια της καθόδου θα υπάρχουν δύο ομάδες σωματιδίων άνθρακα με διαφορετική κατανομή ταχύτητας. Αυτή η ιδέα είναι κεντρική στο μοντέλο ανάπτυξής τους. Μια ομάδα σωματιδίων άνθρακα πρέπει να έχει Maxwellian, δηλ. ισοτροπική κατανομή ταχύτητας που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία τόξου (~ 4000 K). Η άλλη ομάδα αποτελείται από ιόντα που επιταχύνονται στο διάκενο μεταξύ του θετικού φορτίου χώρου και της καθόδου. Η ταχύτητα αυτών των σωματιδίων άνθρακα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα των θερμικών σωματιδίων, οπότε η ροή πρέπει να είναι κατευθυντική και όχι ισότροπη. Η διαδικασία σχηματισμού νανοσωλήνων (και νανοσωματιδίων) θεωρείται ως μια σειρά κύκλων, καθένας από τους οποίους αποτελείται από τα ακόλουθα βήματα:

1.Σχηματισμός του εμβρύου. Στην αρχή της διαδικασίας εκκένωσης, η κατανομή της ταχύτητας του άνθρακα στο στρώμα που έχει εξατμιστεί είναι κατά κύριο λόγο Maxwellian, και αυτό οδηγεί στο σχηματισμό δομών χωρίς άξονα συμμετρίας, όπως τα νανοσωματίδια. Καθώς το ρεύμα γίνεται πιο κατευθυνόμενο, αρχίζουν να σχηματίζονται ανοιχτές δομές, τις οποίες οι Gamaley και Ebbesen θεωρούν ως σπόρους για την ανάπτυξη νανοσωλήνων.

2. Ανάπτυξη σωλήνων κατά τη διάρκεια σταθερής εκκένωσης. Όταν η εκκένωση σταθεροποιείται, μια ροή ιόντων άνθρακα διεισδύει στο στρώμα ατμού σε κατεύθυνση κάθετη προς την επιφάνεια της καθόδου. Αυτά τα σωματίδια άνθρακα θα συμβάλουν στην επιμήκυνση των νανοσωλήνων μονού και πολλαπλών τοιχωμάτων. Δεδομένου ότι η αλληλεπίδραση των κατευθυνόμενων σωματιδίων άνθρακα με μια στερεά επιφάνεια θα πρέπει να είναι πιο έντονη από τα σωματίδια άνθρακα του στρώματος ατμού, η ανάπτυξη των εκτεταμένων δομών θα πρέπει να έχει προτεραιότητα έναντι του σχηματισμού ισοτροπικών δομών. Ωστόσο, η συμπύκνωση του άνθρακα από το στρώμα ατμού στην επιφάνεια της καθόδου θα συμβάλει στην πάχυνση των νανοσωλήνων.

3.Τέλος ανάπτυξης και κλείσιμο. Οι Gamaley και Ebbesen σημειώνουν ότι οι νανοσωλήνες παρατηρούνται συχνά να αναπτύσσονται σε δέσμες και ότι στην παρατηρούμενη δέσμη για όλους τους σωλήνες, η ανάπτυξη και ο τερματισμός συμβαίνουν περίπου την ίδια στιγμή. Αυτό τους οδηγεί στην υποψία ότι συμβαίνουν αστάθειες στην εκκένωση τόξου, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει στο ξαφνικό τέλος της ανάπτυξης νανοσωλήνων. Τέτοιες αστάθειες μπορεί να προκύψουν από ασταθή κίνηση του σημείου της καθόδου κατά μήκος της επιφάνειας της καθόδου ή από αυθόρμητη διακοπή και ανάφλεξη του τόξου. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα σωματίδια άνθρακα με κατανομή Maxwellian ταχύτητας θα κυριαρχήσουν και πάλι και η συμπύκνωση αυτού του άνθρακα θα οδηγήσει τελικά στο πώμα του σωλήνα και στο τέλος της ανάπτυξης.

2.4 Εναλλακτικά μοντέλα

Οι επιστήμονες έχουν παρουσιάσει μια εντελώς διαφορετική θεωρία για την ανάπτυξη νανοσωλήνων κατά την εξάτμιση του τόξου. Σε αυτό το μοντέλο, οι νανοσωλήνες και τα νανοσωματίδια δεν αναπτύσσονται στο πλάσμα του τόξου, αλλά μάλλον σχηματίζονται στην κάθοδο ως αποτέλεσμα του μετασχηματισμού στερεάς κατάστασης. Έτσι, η ανάπτυξη των νανοσωλήνων δεν είναι συνέπεια της δράσης του ηλεκτρικού πεδίου, αλλά είναι απλώς το αποτέλεσμα της πολύ γρήγορης θέρμανσης σε υψηλές θερμοκρασίες που υφίσταται το υλικό που εναποτίθεται στην κάθοδο κατά τη δράση του τόξου. Αυτή η ιδέα ξεκίνησε από την παρατήρηση ότι οι νανοσωλήνες μπορούν να παρασκευαστούν με θερμική έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία αιθάλης φουλλερενίου και οραματίζεται μια διαδικασία δύο σταδίων για την ανάπτυξη νανοσωλήνων στους οποίους η αιθάλη φουλερενίου είναι ένα ενδιάμεσο προϊόν. Το μοντέλο μπορεί να γενικευτεί ως εξής. Κατά τα αρχικά στάδια της εξάτμισης τόξου, το υλικό που μοιάζει με φουλλερένιο (συν φουλερένια) πρέπει να συμπυκνωθεί στην κάθοδο και στη συνέχεια το συμπυκνωμένο υλικό πρέπει να υποβληθεί σε υψηλές θερμοκρασίες καθώς η διαδικασία τόξου συνεχίζεται, οδηγώντας στο σχηματισμό του πρώτου νανοσωλήνα μονής στρώσης. -όπως δομές, και στη συνέχεια νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων. Σε αυτό το μοντέλο δύο σταδίων, η βασική ενέργεια είναι η ανόπτηση της αιθάλης φουλερενίου. Έτσι, η αιθάλη που εναποτίθεται στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, η οποία υφίσταται σχετικά ασθενή ανόπτηση, δεν μετατρέπεται σε σωλήνες. Από την άλλη πλευρά, η αιθάλη που συμπυκνώνεται στην κάθοδο θα πρέπει να υποστεί σημαντική ανόπτηση: αυτό θα οδηγήσει στο σχηματισμό σωλήνων και νανοσωματιδίων με τη μορφή στερεής μάζας. Επομένως, ένα τέτοιο μοντέλο μας επιτρέπει να εξηγήσουμε την επίδραση τέτοιων μεταβλητών όπως η ψύξη των ηλεκτροδίων και η πίεση ηλίου στην παραγωγή νανοσωλήνων. Φαίνεται ότι η ψύξη του νερού πρέπει να είναι απαραίτητη για να διατηρείται η θερμοκρασία της καθόδου χαμηλή στο επίπεδο που απαιτείται για να αποφευχθεί η σκωρίαση των σωλήνων. Ομοίως, ο ρόλος του ηλίου μπορεί να εξηγηθεί ως προς την επίδρασή του στη θερμοκρασία της καθόδου. Δεδομένου ότι το ήλιο είναι ένας εξαιρετικός αγωγός της θερμότητας, οι υψηλές πιέσεις θα πρέπει να προκαλέσουν μείωση της θερμοκρασίας του ηλεκτροδίου, με αποτέλεσμα να πέσει σε μια περιοχή όπου η ανάπτυξη νανοσωλήνων μπορεί να συμβεί χωρίς σκωρία.

2.5 Ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος

Αρχικά εξετάζουμε την ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος σε έναν εξατμιστή τόξου. Αυτή η διαδικασία δεν εγείρει λιγότερα ερωτήματα από την ανάπτυξη νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων σε ένα τόξο. Μεταξύ των πιο προφανών είναι τα ακόλουθα: Γιατί παρατηρούνται μόνο νανοσωλήνες μονού τοιχώματος; Γιατί υπάρχει τόσο στενή κατανομή διαμέτρων σωλήνων; Ποιος είναι ο ρόλος του μετάλλου; Γιατί οι σωλήνες αναπτύσσονται συχνότερα με τη μορφή δεσμίδων; Και πάλι, έχουμε μόνο μερικές οριστικές απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα.

Ένα πράγμα που φαίνεται ξεκάθαρο είναι ότι η ανάπτυξη των νανοσωλήνων μονού τοιχώματος πρέπει να διέπεται σε μεγάλο βαθμό από την κινητική παρά από τη θερμοδυναμική, καθώς οι σωλήνες με πολύ μικρές διαμέτρους αναμένεται να είναι λιγότερο σταθεροί από αυτούς με μεγάλες διαμέτρους. Η απουσία πολλών στρωμάτων πιθανώς περιορίζεται επίσης από κινητικούς παράγοντες. Όσον αφορά τον ρόλο του μετάλλου, τόσο ο Bethune όσο και οι συνάδελφοί του και οι Iijima και Ichihashi πρότειναν ότι μεμονωμένα άτομα μετάλλου ή μικρά σμήνη από αυτά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως καταλύτες για την ανάπτυξη της φάσης ατμού, ανάλογο με τον τρόπο με τον οποίο τα μικρά μεταλλικά σωματίδια καταλύουν την ανάπτυξη πολυστρωματικών σωλήνων . Η εμπλοκή μεμονωμένων ατόμων ή καλά καθορισμένων συστάδων θα βοηθήσει στην εξήγηση των στενών μεγεθών κατανομής. Παραδόξως, ωστόσο, τα καταλυτικά σωματίδια φαίνεται να μην παρατηρούνται ποτέ στις κορυφές των νανοσωλήνων μονού τοιχώματος. Ακόμα κι αν τα καταλυτικά σωματίδια ήταν μεμονωμένα άτομα, θα μπορούσαν να ανιχνευθούν με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης ή με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης σάρωσης (STEM). Είναι πιθανό τα καταλυτικά άτομα ή σωματίδια να αποκολληθούν κατά το κλείσιμο των σωλήνων. Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ο Bethune και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η προσθήκη στοιχείων όπως το θείο σε ένα μέταλλο μπορεί να διαταράξει σε μεγάλο βαθμό την κατανομή των διαμέτρων των σωλήνων. Περαιτέρω μελέτη αυτού του φαινομένου μπορεί να παρέχει χρήσιμες εξηγήσεις για τον μηχανισμό ανάπτυξης.

Μία από τις πολλές προσπάθειες ανάπτυξης ενός λεπτομερούς μοντέλου για την ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος έγινε από τους Ching-Hwa Kiang και William Goddard. Αυτοί οι ερευνητές προτείνουν ότι οι πλήρεις δακτύλιοι πολυενίου μπορούν να χρησιμεύσουν ως πυρήνες για το σχηματισμό νανοσωλήνων μονού τοιχώματος. Έχει αποδειχθεί ότι τέτοιες δομές δακτυλίου θα πρέπει να είναι τα κυρίαρχα σωματίδια σε ζεύγη άνθρακα, ενώ οι δομές κλειστού πλαισίου κυριαρχούν σε μεγαλύτερα μεγέθη. Έχει υποτεθεί ότι οι δακτύλιοι άνθρακα μπορεί να είναι πρόδρομοι στο σχηματισμό φουλλερενίων, αν και αυτό παραμένει αμφιλεγόμενο. Οι Kiang και Goddard πιστεύουν ότι τα αρχικά υλικά για το σχηματισμό νανοσωλήνων μονού τοιχώματος είναι μονοκυκλικοί δακτύλιοι άνθρακα και συστάδες αέριας φάσης καρβιδίου κοβαλτίου, πιθανώς φορτισμένοι. Οι συστάδες καρβιδίου του κοβαλτίου λειτουργούν ως καταλύτες όταν συνδέονται στους δακτυλίους του C2 ή άλλων ειδών. Αυτοί οι συγγραφείς προτείνουν ότι μια συγκεκριμένη διαμόρφωση θα πρέπει να επηρεάσει τη δομή του εκκολαπτόμενου νανοσωλήνα.

Ο Smalley και οι συνεργάτες του, μετά τη σύνθεση των δεσμίδων νανοσωλήνων, πρότειναν έναν μηχανισμό ανάπτυξης που έχει κάποιες ομοιότητες με τους μηχανισμούς Kiang και Goddard. Αυτό το μοντέλο βασίζεται στην υπόθεση ότι όλοι οι σωλήνες έχουν την ίδια (10,10) δομή πολυθρόνας. Αυτή η μοναδική δομή επιτρέπει στους ανοιχτούς εξαγωνικούς δακτυλίους να «σκελώνονται» με τριπλούς δεσμούς, αν και πρέπει να καταπονούνται σημαντικά σε σύγκριση με την αρχική τους γραμμική διάταξη. Η ομάδα του Smalley υποθέτει στη συνέχεια ότι ένα μόνο άτομο νικελίου θα προσροφηθεί χημικά στο άκρο του σωλήνα και θα «τρέξει» γύρω από την περιφέρεια (Εικόνα 2.1), βοηθώντας στην τοποθέτηση των εισερχόμενων ατόμων άνθρακα στους εξαγωνικούς δακτυλίους. Οποιεσδήποτε τοπικά μη βέλτιστες δομές, συμπεριλαμβανομένων των πενταγώνων, θα αντανακλώνται, επομένως ένας τέτοιος σωλήνας θα συνεχίσει να αναπτύσσεται επ 'αόριστον.

Εδώ, όπως και για άλλους μηχανισμούς που προτείνονται για την ανάπτυξη νανοσωλήνων μονού τοιχώματος, δεν υπάρχουν άμεσες πειραματικές ενδείξεις.

Εικόνα 2.1 - Απεικόνιση του μηχανισμού «σκούτερ» κατά την ανάπτυξη (10,10) νανοσωλήνων πολυθρόνας.

Ορισμένες επιστημονικές ομάδες σε όλο τον κόσμο έχουν προσπαθήσει να καθαρίσουν δείγματα νανοσωλήνων χρησιμοποιώντας μεθόδους όπως η φυγοκέντρηση, η διήθηση και η χρωματογραφία. Ορισμένες από αυτές τις μεθόδους περιλαμβάνουν την αρχική παρασκευή κολλοειδών εναιωρημάτων υλικού που περιέχει νανοσωλήνες χρησιμοποιώντας επιφανειοδραστικές ουσίες. Για παράδειγμα, ο Jean-Marc Bonard και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν το ανιονικό τασιενεργό δωδεκακυκλοθειικό νάτριο (SDS) για να επιτύχουν ένα σταθερό εναιώρημα νανοσωλήνων και νανοσωματιδίων στο νερό. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε μια μέθοδος φιλτραρίσματος για τον διαχωρισμό των νανοσωλήνων από τα νανοσωματίδια, αλλά ο πιο επιτυχημένος διαχωρισμός επιτεύχθηκε απλώς αφήνοντας τους νανοσωλήνες να πέσουν ως κροκίδες, αφήνοντας τα νανοσωματίδια σε εναιώρηση. Το ίζημα θα μπορούσε στη συνέχεια να αφαιρεθεί και θα μπορούσαν να συνεχιστούν περαιτέρω διαδικασίες καθίζησης. Αυτό όχι μόνο επέτρεψε την εξαγωγή των νανοσωματιδίων, αλλά οδήγησε και σε κάποιο διαχωρισμό των σωλήνων σε όλο το μήκος τους.

Μια άλλη μέθοδος για την επίτευξη διαχωρισμού μεγέθους νανοσωλήνων περιγράφεται από τον Duisberg και τους συνεργάτες του από το Ινστιτούτο Max Planck στη Στουτγάρδη και το Trinity College του Δουβλίνου. Ο διαχωρισμός των σωλήνων και άλλου υλικού ελήφθη και πάλι σε οξύ SDN. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ο διαχωρισμός χρησιμοποιώντας χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους (SEC). Αυτή η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως για τον διαχωρισμό βιολογικών μακρομορίων και οι συγγραφείς απέδειξαν ότι τα δείγματα νανοσωλήνων θα μπορούσαν να διαχωριστούν με επιτυχία σε κλάσματα με διαφορετικά μήκη σωλήνων. Ένα πιθανό μειονέκτημα της χρήσης επιφανειοδραστικών ουσιών όπως το SDN στον καθαρισμό των νανοσωλήνων είναι ότι μπορεί να παραμείνουν ίχνη του θειώδους αντιδραστηρίου στο τελικό προϊόν. Ωστόσο, ο Bonard και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι ήταν δυνατό να μειωθούν τα επίπεδα SDN κάτω από 0,1% με το πλύσιμο.

3. Καθαρισμός σωλήνων μιας στρώσης

Έχουν επίσης αναπτυχθεί μέθοδοι καθαρισμού σωλήνων με ένα τοίχωμα, αν και η διαδικασία απαιτεί περισσότερη προσπάθεια από ό,τι για τους νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων. Εκτός από τις μεγάλες ποσότητες άμορφου άνθρακα, οι νανοσωλήνες που περιέχουν αιθάλη περιέχει επίσης μεταλλικά σωματίδια, τα οποία συχνά επικαλύπτονται με άνθρακα. Επιπλέον, οι σκληρές μέθοδοι οξείδωσης που χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό των νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων είναι επίσης καταστροφικές για τους σωλήνες με ένα τοίχωμα.

Ιάπωνες επιστήμονες περιέγραψαν βήμα προς βήμα τη διαδικασία της διαδοχικής εξάλειψης διαφόρων ακαθαρσιών. Το πρώτο βήμα περιελάμβανε πλύση της ακατέργαστης αιθάλης με απεσταγμένο νερό για 12 ώρες, ακολουθούμενη από διήθηση και ξήρανση. Αυτή η διαδικασία επέτρεψε την αφαίρεση ορισμένων σωματιδίων γραφίτη και άμορφου άνθρακα. Τα φουλερένια ξεπλύθηκαν με τολουόλιο σε συσκευή Soxclet. Στη συνέχεια η αιθάλη θερμάνθηκε στους 470°C στον αέρα για 20 λεπτά προκειμένου να απαλλαγεί από τα μεταλλικά σωματίδια. Τέλος, η υπόλοιπη αιθάλη εκτέθηκε σε υπερχλωρικό οξύ για να διαλυθούν τα μεταλλικά σωματίδια. Η εξέταση του τελικού προϊόντος με ηλεκτρονική μικροσκοπία και περίθλαση ακτίνων Χ έδειξε ότι οι περισσότεροι από τους ρύπους αφαιρέθηκαν, αν και παρέμειναν μερικά γεμάτα και άδεια νανοσωματίδια.

Ο Smalley και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια μέθοδο για τον καθαρισμό δειγμάτων νανοσωλήνων από δέσμες χρησιμοποιώντας μικροδιήθηση. Ήταν οι πρώτοι που περιέγραψαν μια τεχνική για τη χρήση ενός κατιονικού τασιενεργού για την παρασκευή ενός εναιωρήματος νανοσωλήνων και του συνοδευτικού υλικού σε διάλυμα, και στη συνέχεια την εναπόθεση των νανοσωλήνων σε μια μεμβράνη. Ωστόσο, απαιτήθηκε επαναλαμβανόμενη διήθηση με την παρασκευή ενός εναιωρήματος μετά από κάθε διήθηση προκειμένου να επιτευχθεί σημαντικό επίπεδο καθαρισμού, γεγονός που καθιστά μια τέτοια διαδικασία πολύ αργή και αναποτελεσματική. Μια βελτιωμένη μέθοδος περιγράφηκε σε ένα χαρτί όπου χρησιμοποιήθηκε η υπερήχων, διατηρώντας το υλικό σε εναιώρημα κατά τη διήθηση και επιτρέποντας έτσι μια συνεχή διαδικασία φιλτραρίσματος μεγάλων ποσοτήτων δείγματος. Με αυτόν τον τρόπο, κατέστη δυνατός ο καθαρισμός έως και 150 ml αιθάλης μέσα σε 3-6 ώρες για να ληφθεί ένα υλικό που περιέχει περισσότερο από 90% SWNT.

Οι σωλήνες μονής στιβάδας μπορούσαν επίσης να καθαριστούν χρησιμοποιώντας χρωματογραφία· ο Duisburg et al. περιέγραψε μια μέθοδο παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιείται για τα MWNTs και έδειξε την αποτελεσματικότητά της για τα SWNT.

4. Ευθυγράμμιση δειγμάτων νανοσωλήνων

πλάσμα νανοσωλήνων άνθρακα που μοιάζει με φουλλερένιο

Πολλές από τις μεθόδους παρασκευής που περιγράφονται παραπάνω παράγουν δείγματα με τυχαία προσανατολισμένους νανοσωλήνες. Αν και οι σωλήνες συχνά ομαδοποιούνται σε δέσμες, οι ίδιες οι δέσμες δεν είναι γενικά ευθυγραμμισμένες μεταξύ τους. Για τη μέτρηση των ιδιοτήτων των νανοσωλήνων, θα ήταν πολύ χρήσιμο να έχουμε δείγματα στα οποία όλοι οι σωλήνες είναι ευθυγραμμισμένοι προς την ίδια κατεύθυνση. Αν και έχουν ήδη περιγραφεί καταλυτικές μέθοδοι για την προετοιμασία ευθυγραμμισμένων σωλήνων, ήταν επίσης απαραίτητο να αναπτυχθούν τεχνολογίες για την ευθυγράμμιση δειγμάτων σωλήνων μετά τη σύνθεσή τους. Έτσι, μια από τις πρώτες τέτοιες μεθόδους προτάθηκε το 1995 από μια ομάδα από την Ecole Polytechnic Federale Lausanne στην Ελβετία. Χρησιμοποίησαν ένα δείγμα MWNT που παρασκευάστηκε με εξάτμιση τόξου που είχε καθαριστεί με φυγοκέντρηση και διήθηση για την απομάκρυνση νανοσωματιδίων και άλλων ρύπων. Στη συνέχεια εναποτέθηκαν λεπτές μεμβράνες από καθαρισμένους νανοσωλήνες στην επιφάνεια του πλαστικού και οι εικόνες SEM έδειξαν ότι αυτοί οι σωλήνες ευθυγραμμίστηκαν κάθετα προς το φιλμ σε αυτήν την ελεύθερα αποτιθέμενη κατάσταση. Διαπιστώθηκε ότι οι σωλήνες μπορούσαν να ευθυγραμμιστούν παράλληλα με την επιφάνεια του δείγματος, το οποίο είχε προηγουμένως τρίψει ελαφρά με τεφλόν ή φύλλο αλουμινίου. Οι συγγραφείς ισχυρίζονται ότι τα φιλμ μπορούν να γίνουν «αυθαίρετα μεγάλα» με αυτή τη μέθοδο και χρησιμοποίησαν αυτά τα φιλμ για να εκτελέσουν πειράματα εκπομπών πεδίου.

Μια άλλη μέθοδος για την ευθυγράμμιση των νανοσωλήνων είναι η ενσωμάτωση των σωλήνων σε μια μήτρα και στη συνέχεια η εξώθηση της μήτρας με κάποιο τρόπο έτσι ώστε οι σωλήνες να ευθυγραμμιστούν προς την κατεύθυνση της ροής.

5. Έλεγχος του μήκους των νανοσωλήνων άνθρακα

Μια τεχνική για την κοπή μεμονωμένων νανοσωλήνων μονού τοιχώματος σε ελεγχόμενα μήκη περιγράφηκε από ερευνητές στα πανεπιστήμια Delft και Rice στα τέλη του 1997. Οι νανοσωλήνες που χρησιμοποιήθηκαν παρήχθησαν με εξάτμιση λέιζερ από την ομάδα Smalley και εναποτέθηκαν στην επιφάνεια μονοκρυστάλλων χρυσού για εξέταση με σάρωση σήραγγας μικροσκοπία. Όταν εντοπίστηκε ένας κατάλληλος νανοσωλήνας, η σάρωση σταμάτησε και το άκρο Pt/Ir προωθήθηκε σε ένα επιλεγμένο σημείο αυτού του σωλήνα. Στη συνέχεια, η ανάδραση απενεργοποιήθηκε και εφαρμόστηκε ένας παλμός τάσης μεταξύ του άκρου και του δείγματος για μια ορισμένη περίοδο. Όταν συνεχίστηκε η σάρωση, ήταν ορατό ένα σπάσιμο στον νανοσωλήνα εάν η κοπή ήταν επιτυχής. Έχει αποδειχθεί ότι μεμονωμένοι σωλήνες μπορούν να κοπούν σε έως και τέσσερις μεμονωμένες θέσεις. Έχει βρεθεί ότι ο κρίσιμος παράγοντας στη διαδικασία τεμαχισμού είναι η τάση και όχι το ρεύμα, η ελάχιστη τάση που απαιτείται για τη διαδικασία τεμαχισμού πρέπει να είναι 4V.

Με το να κόψουν μεμονωμένους νανοσωλήνες σε μικρά μήκη, οι συγγραφείς μπόρεσαν να δείξουν ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες των κοντών σωλήνων ήταν διαφορετικές από αυτές των αρχικών νανοσωλήνων. Αυτές οι διαφορές αποδίδονταν στην εκδήλωση κβαντικών επιπτώσεων μεγέθους.

Εκτός από τον έλεγχο των μηκών μεμονωμένων νανοσωλήνων, είναι δυνατό να κοπούν μαζικά δείγματα νανοσωλήνων μονού τοιχώματος σε μικρά μήκη. Αυτό αποδείχθηκε το 1998 από την ομάδα του Smalley. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη λήψη δειγμάτων από μικρούς σωλήνες (που ονομάζονταν «σωλήνες φουλερενίου») είναι η κατεργασία με υπερήχους του υλικού νανοσωλήνων σε διάλυμα θειικού και νιτρικού οξέος. Κατά τη διάρκεια αυτής της έκθεσης, φαίνεται ότι η πιστή ηχοχημεία δημιουργεί τρύπες στις επιφάνειες των σωλήνων, οι οποίες στη συνέχεια προσβάλλονται από οξέα, σχηματίζοντας ανοιχτούς «σωλήνες». Ο Smalley και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι αυτοί οι σωλήνες μπορούσαν να ταξινομηθούν σε κλάσματα διαφορετικού μήκους με μια μέθοδο γνωστή ως κλασμάτωση ροής πεδίου. Γέμισαν επίσης τα άκρα αυτών των εκτεθειμένων νανοσωλήνων με διάφορες λειτουργικές ομάδες και έδειξαν ότι τα σωματίδια χρυσού μπορούσαν να προσκολληθούν στα άκρα του σωλήνα funudion. Αυτή η εργασία μπορεί να θεωρηθεί η αρχή μιας νέας οργανικής χημείας που βασίζεται σε νανοσωλήνες άνθρακα.

6. Ερευνητική Ανάλυση

Η μέθοδος εξάτμισης τόξου των Iijima, Ebbesen και Ajayan παραμένει μακράν η καλύτερη τεχνική για τη σύνθεση νανοσωλήνων υψηλής ποιότητας, αλλά υποφέρει από μια σειρά μειονεκτημάτων. Πρώτον, είναι έντασης εργασίας και απαιτεί κάποια ικανότητα για να επιτευχθεί το κατάλληλο επίπεδο αναπαραγωγιμότητας. Δεύτερον, η απόδοση είναι αρκετά χαμηλή, αφού περισσότερος εξατμισμένος άνθρακας εναποτίθεται στα τοιχώματα του θαλάμου παρά στην κάθοδο και οι νανοσωλήνες μολύνονται με νανοσωματίδια και άλλα θραύσματα γραφίτη. Τρίτον, είναι περισσότερο ένα bake-off παρά μια συνεχής διαδικασία και δεν κλιμακώνεται εύκολα. Εάν οι νανοσωλήνες πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ποτέ εμπορικά σε μεγάλη κλίμακα, πιθανότατα θα χρειαστεί να χρησιμοποιηθεί διαφορετική μέθοδος παρασκευής. Η πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση παρεμποδίζεται από την έλλειψη κατανόησης του μηχανισμού ανάπτυξης του σωλήνα σε ένα τόξο. Ως εκ τούτου, περαιτέρω έρευνα αφιερωμένη ειδικά στην αποσαφήνιση του μηχανισμού ανάπτυξης νανοσωλήνων θα πρέπει να είναι ευπρόσδεκτη.

Υπάρχει μια άλλη σοβαρή αδυναμία της μεθόδου εξάτμισης τόξου και όλων των άλλων σύγχρονων τεχνολογιών για την παρασκευή νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων: παράγουν ένα ευρύ φάσμα μεγεθών και δομών σωλήνων. Αυτό μπορεί να είναι πρόβλημα όχι μόνο για ορισμένες εφαρμογές, αλλά και μειονέκτημα σε περιοχές όπου χρειάζονται συγκεκριμένες σωληνοειδείς δομές, όπως η νανοηλεκτρονική. Είναι δυνατόν να προβλεφθεί η διαδρομή που θα ακολουθήσουν οι σωλήνες με ορισμένες κατασκευές για να προετοιμαστούν; Ίσως αυτό να επιτευχθεί με δημιουργική χρήση καταλυτών.

Οι ερευνητές έχουν επιστήσει την προσοχή στη μεγαλύτερη ομοιομορφία των σωλήνων ενός τοιχώματος από τους αντίστοιχους με πολλά τοιχώματα, τουλάχιστον σε σχέση με τις διαμέτρους τους. Ωστόσο, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται άμεσα για τη σύνθεση σωλήνων μονού τοιχώματος είναι πιο περίπλοκες από αυτές για νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων. Η τεχνική εξάτμισης με λέιζερ που αναπτύχθηκε από τον όμιλο Smoli παράγει το καλύτερο ποιοτικό υλικό με την υψηλότερη απόδοση, αλλά τα λέιζερ υψηλής ενέργειας που απαιτούνται για αυτή τη μέθοδο δεν είναι πάντα διαθέσιμα στο μέσο εργαστήριο. Όπως και με τους πολυστρωματικούς σωλήνες, η μελλοντική πορεία μπορεί να περιλαμβάνει καταλυτικές μεθόδους και η τρέχουσα έρευνα προς αυτή την κατεύθυνση είναι ενθαρρυντική. Τελικά, ελπίζουμε ότι οι οργανικοί χημικοί θα είναι σε θέση να ολοκληρώσουν την πλήρη σύνθεση των νανοσωλήνων. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι αυτό μπορεί να είναι μια μακρινή προοπτική, καθώς ακόμη και η πλήρης σύνθεση του C60 δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί.

Ενώ οι νανοσωλήνες καλύτερης ποιότητας παράγονται επί του παρόντος χρησιμοποιώντας μεθόδους που παράγουν επίσης σημαντικές ποσότητες μολυσματικού υλικού, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι υπάρχουν μέθοδοι για την αφαίρεση αυτού του υλικού. Ευτυχώς, πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε αυτόν τον τομέα και μια ποικιλία μεθόδων είναι πλέον διαθέσιμες για την απομάκρυνση ανεπιθύμητων νανοσωματιδίων, μικροπορώδους άνθρακα και άλλων ρύπων από δείγματα νανοσωλήνων με πολλά και με ένα τοίχωμα. Έχουν επίσης αναπτυχθεί διαδικασίες για την ευθυγράμμιση και την κοπή σωλήνων σε ελεγχόμενα μήκη. Αυτές οι τεχνολογίες θα επιτρέψουν την πρόοδο σε τομείς όπου η έλλειψη καθαρών και καλά καθορισμένων δειγμάτων εξακολουθεί να παραμένει σοβαρό πρόβλημα.

συμπέρασμα

Η μέθοδος παρασκευής νανοσωλήνων, που περιγράφηκε από τον Injima το 1991, έδωσε σχετικά χαμηλή απόδοση, καθιστώντας δύσκολη την περαιτέρω μελέτη της δομής και των ιδιοτήτων τους. Μια σημαντική πρόοδος σημειώθηκε τον Ιούλιο του 1992, όταν οι Thomas Ebessen και Pulikel Ajayan, που εργάζονταν στο ίδιο ιαπωνικό εργαστήριο με την Iijima, περιέγραψαν μια μέθοδο για την παρασκευή ποσοτήτων γραμμαρίων νανοσωλήνων. Για άλλη μια φορά, ήταν μια απροσδόκητη ανακάλυψη: ενώ προσπαθούσαν να παρασκευάσουν παράγωγα φουλερενίου, οι Ebessen και Ajayan ανακάλυψαν ότι η αύξηση της πίεσης ηλίου στον θάλαμο εξάτμισης τόξου βελτίωσε δραματικά την απόδοση των νανοσωλήνων που σχηματίζονται στην αιθάλη καθόδου. Η διαθεσιμότητα νανοσωλήνων σε μεγάλες ποσότητες έχει οδηγήσει σε τεράστια αύξηση του ρυθμού της έρευνας σε όλο τον κόσμο.

Ένας άλλος τομέας που προσέλκυσε νωρίς το ενδιαφέρον ήταν η ιδέα της χρήσης νανοσωλήνων άνθρακα και νανοσωματιδίων ως "μοριακά δοχεία". Ένα ορόσημο προς αυτή την κατεύθυνση ήταν η επίδειξη των Ajayan και Iijima ότι οι νανοσωλήνες μπορούσαν να γεμιστούν με λιωμένο μόλυβδο και έτσι να χρησιμοποιηθούν ως πρότυπα για «νανοσύρματα». Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν πιο ελεγχόμενες μέθοδοι για το άνοιγμα και το γέμισμα νανοσωλήνων, επιτρέποντας την τοποθέτηση μιας μεγάλης γκάμα υλικών, συμπεριλαμβανομένων των βιολογικών, στο εσωτερικό. Το άνοιγμα και το γέμισμα των νανοσωλήνων θα μπορούσε να οδηγήσει σε εκπληκτικές ιδιότητες που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν στην κατάλυση ή σε βιολογικούς αισθητήρες. Τα γεμισμένα νανοσωματίδια άνθρακα μπορεί επίσης να έχουν σημαντικές εφαρμογές σε πεδία τόσο διαφορετικά όπως η μαγνητική καταγραφή και η πυρηνική ιατρική.

Ίσως ο μεγαλύτερος όγκος στην έρευνα νανοσωλήνων θα πρέπει να αφιερωθεί στις ηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Η θεωρητική εργασία που προηγήθηκε της ανακάλυψης του Iijima έχει ήδη σημειωθεί παραπάνω. Λίγο μετά την επιστολή Nature του Iijima το 1991, εμφανίστηκαν δύο άλλα έγγραφα σχετικά με τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα. Η ομάδα του MIT και ο Noriaki Hamada και οι συνεργάτες του από το εργαστήριο του Iijima στην Tsukuba πραγματοποίησαν υπολογισμούς δομής ζώνης χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο στενής δέσμευσης και απέδειξαν ότι οι ηλεκτρονικές ιδιότητες εξαρτώνται τόσο από τη δομή του σωλήνα όσο και από τη διάμετρό του. Αυτές οι αξιοσημείωτες προβλέψεις προκάλεσαν μεγάλο ενδιαφέρον, αλλά η προσπάθεια προσδιορισμού των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων αντιμετώπισε πειραματικά μεγάλες δυσκολίες. Αλλά μόνο το 1996 έγιναν πειραματικές μετρήσεις σε μεμονωμένους νανοσωλήνες που μπορούσαν να επιβεβαιώσουν θεωρητικές προβλέψεις. Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι οι νανοσωλήνες θα μπορούσαν να γίνουν συστατικά μελλοντικών νανοηλεκτρονικών συσκευών.

Ο προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων άνθρακα παρουσίασε τρομερές δυσκολίες, αλλά για άλλη μια φορά οι πειραματιστές ανταποκρίθηκαν στην πρόκληση. Οι μετρήσεις που χρησιμοποιούν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης και μικροσκοπία ατομικής δύναμης έχουν δείξει ότι οι μηχανικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα μπορεί να είναι εξίσου εξαιρετικές με τις ηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Ως αποτέλεσμα, το ενδιαφέρον για τη χρήση νανοσωλήνων σε σύνθετα υλικά έχει αυξηθεί.

Στις μέρες μας, μια ποικιλία άλλων πιθανών εφαρμογών για νανοσωλήνες προκαλούν ενδιαφέρον. Για παράδειγμα, αρκετοί επιστήμονες διερευνούν το πρόβλημα της χρήσης νανοσωλήνων ως συμβουλές για τη μικροσκοπία ανιχνευτή σάρωσης. Με το επίμηκες σχήμα, τις μυτερές άκρες και την υψηλή ακαμψία τους, οι νανοσωλήνες ήταν ιδανικοί για αυτόν τον σκοπό και τα αρχικά πειράματα σε αυτόν τον τομέα έδειξαν εξαιρετικά εντυπωσιακά αποτελέσματα. Οι νανοσωλήνες έχουν επίσης αποδειχθεί ότι έχουν χρήσιμες ιδιότητες εκπομπής πεδίου, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν στη χρήση τους σε επίπεδες οθόνες. Η έρευνα για τους νανοσωλήνες παντού αυξάνεται με αστρονομικό ρυθμό και οι εμπορικές εφαρμογές σίγουρα δεν αργούν να έρθουν.

Βιβλιογραφία

1. P. Harris, Νανοσωλήνες άνθρακα και σχετικές δομές. Νέα υλικά του XXI αιώνα - M.: Tekhnosphere, 2003.

Δημοσιεύτηκε στο Allbest.ru

Παρόμοια έγγραφα

Η δομή του γραφίτη, που καθορίζει τις ηλεκτρικές του ιδιότητες. Νανοσωλήνες άνθρακα μονού και πολλαπλών τοιχωμάτων. Ενέργεια σύνδεσης βρωμίου με στρώμα γραφίτη. Πειραματική τεχνική και χαρακτηριστικά εγκατάστασης. Φαινομενολογική περιγραφή της διαδικασίας βρωμίωσης.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 17/09/2011


Ταξινόμηση νανοδομών άνθρακα. Μοντέλα σχηματισμού φουλερενίου. Συναρμολόγηση φουλλερενίων από θραύσματα γραφίτη. Ο μηχανισμός σχηματισμού νανοσωματιδίων άνθρακα με κρυστάλλωση υγρού συμπλέγματος. Μέθοδοι παρασκευής, δομή και ιδιότητες νανοσωλήνων άνθρακα.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 25/09/2009


Διεργασίες ρόφησης στο όριο φάσης σορβικού-προσροφητικού. Μέθοδοι παραγωγής πορωδών υλικών άνθρακα. Μέθοδοι προσρόφησης επεξεργασίας λυμάτων. Βασικές αντιδράσεις αλληλεπίδρασης μεταξύ συστατικών μιγμάτων οργανικών υλικών σε διαδικασίες συνθερμόλυσης.

διατριβή, προστέθηκε 21/06/2015


Βασικές έννοιες και μέθοδοι συγκόλλησης σωληνώσεων. Επιλογή χάλυβα για αγωγό αερίου. Προετοιμασία άκρων σωλήνων για συγκόλληση. Επιλογή υλικού συγκόλλησης. Απαιτήσεις για τη συναρμολόγηση σωλήνων. Δοκιμές προσόντων συγκολλητών. Τεχνολογία και τεχνική χειροκίνητης συγκόλλησης τόξου.

διατριβή, προστέθηκε 25/01/2015


Το σύστημα σταθεροποίησης της ταχύτητας περιστροφής ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος ως παράδειγμα χρήσης μεθόδων της θεωρίας αυτόματου ελέγχου. Σύστημα σταθεροποίησης του ρεύματος μιας καμίνου τήξης χάλυβα τόξου, η κοπτική ισχύς της διαδικασίας άλεσης χωρίς κέντρο.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 18/01/2013


Τεχνολογία παραγωγής συγκόλλησης. Ιστορία της ανάπτυξης της παραγωγής συγκόλλησης. Ιδιαιτερότητες συγκόλλησης με τόξο αργού και εύρος χρήσης της. Εφαρμογές, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της συγκόλλησης με τόξο αργού. Συγκριτικά χαρακτηριστικά εξοπλισμού για αυτόν τον τύπο συγκόλλησης.

περίληψη, προστέθηκε 18/05/2012


Σύνθεση και ιδιότητες του χάλυβα. Πληροφορίες για τη συγκολλησιμότητα του. Τεχνολογία για την παραγωγή επικαλυπτόμενης συγκολλημένης άρθρωσης μεταξύ δύο φύλλων χρησιμοποιώντας χειροκίνητη συγκόλληση τόξου και συγκόλληση με αέριο θωράκισης με αναλώσιμο ηλεκτρόδιο. Επιλογή υλικών συγκόλλησης και πηγών ισχύος τόξου συγκόλλησης.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 28/05/2015


Προσδιορισμός συγκολλησιμότητας των υλικών που χρησιμοποιούνται, επιλογή υλικών πλήρωσης και εξοπλισμού. Μονάδα συγκόλλησης για το πάνω κάτω και το πάνω κέλυφος. Υπολογισμός χειροκίνητης λειτουργίας συγκόλλησης τόξου. Χάρτης της τεχνολογικής διαδικασίας του κόμβου συγκόλλησης A Ar-C17 σύμφωνα με το GOST 14771-76.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 20/02/2013


Γενικές πληροφορίες για τα σύνθετα υλικά. Ιδιότητες σύνθετων υλικών όπως το sibunit. Σειρά πορωδών υλικών άνθρακα. Θωρακτικά και ραδιοαπορροφητικά υλικά. Τα κεραμικά φωσφορικό ασβέστιο είναι ένα βιοπολυμερές για την αναγέννηση του οστικού ιστού.

περίληψη, προστέθηκε 13/05/2011


Τύποι και χαρακτηριστικά πλαστικών σωλήνων, αιτιολόγηση επιλογής μεθόδου σύνδεσής τους, αρχές συνδέσεως. Γενικοί κανόνες για συγκόλληση άκρων σωλήνων πλαστικού και πολυπροπυλενίου. Τεχνολογία συγκόλλησης υποδοχών. Αρχές και στάδια εγκατάστασης σωλήνων πολυπροπυλενίου.

Η εφεύρεση σχετίζεται με το πεδίο του καθαρισμού ρόφησης επιφανειακών και υπόγειων υδάτων με υψηλή περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό του νερού για την παραγωγή πόσιμου νερού που είναι ασφαλές για την υγεία. Μια μέθοδος καθαρισμού επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από το τιτάνιο και τις ενώσεις του περιλαμβάνει την επαφή του μολυσμένου νερού με ένα προσροφητικό, όπου χρησιμοποιούνται νανοσωλήνες άνθρακα ως προσροφητικό, οι οποίοι τοποθετούνται σε λουτρό υπερήχων και δρουν στους νανοσωλήνες άνθρακα και το νερό που καθαρίζεται σε λειτουργία 1-15 λεπτών, με συχνότητα υπερήχων 42 kHz και ισχύ 50 W. Το τεχνικό αποτέλεσμα συνίσταται στον 100% καθαρισμό του νερού από το τιτάνιο και τις ενώσεις του λόγω των πολύ υψηλών χαρακτηριστικών προσρόφησης των νανοσωλήνων άνθρακα. 4 άρρωστος, 2 τραπέζια, 4 π.χ.

Σχέδια για το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας RF 2575029

Η εφεύρεση σχετίζεται με το πεδίο του καθαρισμού ρόφησης επιφανειακών και υπόγειων υδάτων με υψηλή περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό του νερού από το τιτάνιο και τις ενώσεις του για τη λήψη πόσιμου νερού που είναι ασφαλές για την υγεία.

Υπάρχει μια γνωστή μέθοδος για τον καθαρισμό του νερού από ιόντα βαρέων μετάλλων, σύμφωνα με την οποία χρησιμοποιείται ως προσροφητικό ένα πυρωμένο ενεργοποιημένο φυσικό προσροφητικό, το οποίο είναι ένα πυριτικό πέτρωμα μικτής ορυκτής σύνθεσης από κοιτάσματα στο Ταταρστάν, που περιέχει % wt.: οπαλκριστοβολίτης 51-70 , ζεόλιθος 9-25, συστατικό αργίλου - mont morillonite, hydromica 7-15, ασβεστίτης 10-25 κ.λπ. [Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας RF 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, δημοσίευση. 20/06/2000]. Το μειονέκτημα αυτής της γνωστής μεθόδου είναι η χρήση υδροχλωρικού οξέος για την ενεργοποίηση του υλικού, το οποίο απαιτεί εξοπλισμό που να είναι ανθεκτικός σε επιθετικά περιβάλλοντα. Επιπλέον, η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα μάλλον σπάνιο πέτρωμα σύνθετης σύνθεσης ορυκτών και δεν υπάρχουν δεδομένα για την περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του.

Υπάρχει μια γνωστή μέθοδος για την παραγωγή κοκκώδους προσροφητικού με βάση τον σουνγκίτη [Auth.St. USSR No. 822881, IPC B01G 20/16, δημοσίευση. 23/04/1981].

Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η χρήση του λιγότερο διαδεδομένου ορυκτού σουνγκίτη, ο οποίος είναι προτροποποιημένος με νιτρικό αμμώνιο, πύρωση σε υψηλές θερμοκρασίες, που απαιτεί κατάλληλο εξοπλισμό και κατανάλωση ενέργειας, καθώς και επεξεργασία σε επιθετικά περιβάλλοντα. Δεν υπάρχουν δεδομένα για την αποτελεσματικότητα του καθαρισμού του νερού από τιτάνιο.

Υπάρχει μια γνωστή μέθοδος, λαμβανόμενη ως ανάλογη, για τη λήψη οργανομεταλλικών ροφητών με βάση φυσικά αργιλοπυριτικά άλατα, συγκεκριμένα τον ζεόλιθο, με τροποποίηση προ-θερμικά επεξεργασμένου αργιλιοπυριτικού με πολυσακχαρίτες, ιδιαίτερα χιτοζάνη [Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας RF αρ. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, δημοσίευση. 07/10/2002]. Η μέθοδος καθιστά δυνατή τη λήψη ροφητών κατάλληλων για αποτελεσματικό καθαρισμό υδατικών διαλυμάτων από μεταλλικά ιόντα και οργανικές βαφές διαφόρων φύσεων.

Τα μειονεκτήματα των προσροφητικών που λαμβάνονται με την περιγραφόμενη μέθοδο είναι ο υψηλός βαθμός διασποράς τους, ο οποίος δεν επιτρέπει τον καθαρισμό του νερού μέσω ρεύματος μέσω του απορροφητικού στρώματος (το φίλτρο φράσσεται γρήγορα), καθώς και η δυνατότητα απομάκρυνσης του στρώματος χιτοζάνης από το ροφητικό με την πάροδο του χρόνου λόγω της έλλειψης στερέωσης σε βάση ορυκτών και δεν υπάρχουν δεδομένα για αποτελεσματικό καθαρισμό από ενώσεις βαρέων μετάλλων, όπως το τιτάνιο και οι ενώσεις του.

Μια μέθοδος για τη διαύγαση και τη διάθεση βιομηχανικού νερού από δομές φίλτρων σταθμών επεξεργασίας νερού περιγράφεται [Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την εφεύρεση RU αρ. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, δημοσίευση. 10/11/2009].

Η ουσία της εφεύρεσης έγκειται στη χρήση ενός σύνθετου πηκτικού, το οποίο είναι ένα μείγμα υδατικών διαλυμάτων θειικού και οξυχλωριούχου αργιλίου σε αναλογία δόσης 2:1 για το οξείδιο του αργιλίου.

Αυτό το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας παρέχει παραδείγματα καθαρισμού υπόγειων υδάτων για παροχή πόσιμου νερού.

Το μειονέκτημα της περιγραφόμενης μεθόδου είναι η κακή απόδοση του καθαρισμού από ακαθαρσίες· το 46% του ιζήματος επέπλεε και το υπόλοιπο ήταν σε εναιώρηση.

Υπάρχει μια γνωστή μέθοδος καθαρισμού του νερού με επεξεργασία σε έναν αγωγό παροχής με ένα κατιονικό κροκιδωτικό [RF Patent No. 2125540, IPC C02F 1/00, δημοσίευση. 27/01/1999].

Η εφεύρεση αναφέρεται σε μεθόδους καθαρισμού νερού από επιφανειακές αποχετεύσεις και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον τομέα της παροχής οικιακού και πόσιμου ή τεχνικού νερού.

Η ουσία της εφεύρεσης: εκτός από το κροκιδωτικό, ένα ορυκτό πηκτικό εισάγεται στον αγωγό σε αναλογία μάζας προς το κροκιδωτικό από 40:1 έως 1:1.

Η μέθοδος εξασφαλίζει αύξηση της αποτελεσματικότητας της συσσώρευσης αιωρούμενων ουσιών, γεγονός που καθιστά δυνατή τη μείωση της θολότητας του καθιζάνοντος νερού κατά 2-3 φορές. Μετά τη χρήση αυτής της μεθόδου, απαιτείται περαιτέρω πλήρης καθίζηση σε δεξαμενές καθίζησης. Έτσι, σύμφωνα με την περιγραφόμενη μέθοδο, δεν επιτεύχθηκε αφαίρεση 100% των μετάλλων, η σκληρότητα του νερού μειώθηκε από 5,7 mg-eq/l σε 3 mg-eq/l, η θολότητα μειώθηκε στα 8,0 mg/l.

Το μειονέκτημα του αναλόγου είναι η κακή απόδοση της αφαίρεσης μετάλλων και οργανικών ακαθαρσιών· δεν υπάρχουν δεδομένα για την περιεκτικότητα σε τιτάνιο.

Η αποτελεσματικότητα ρόφησης των νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) περιγράφεται ως η βάση μιας καινοτόμου τεχνολογίας για τον καθαρισμό μειγμάτων νερού-αιθανόλης [Zaporotskova N.P. και άλλα Bulletin of VolSU, σειρά 10, τεύχος. 5, 2011, 106 σελ.].

Η εργασία πραγματοποίησε κβαντομηχανικές μελέτες των διαδικασιών προσρόφησης μορίων βαριάς αλκοόλης στην εξωτερική επιφάνεια νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος.

Το μειονέκτημα της περιγραφόμενης δραστηριότητας προσρόφησης των CNTs είναι ότι πραγματοποιούνται μόνο θεωρητικοί υπολογισμοί κβαντομηχανικής, ενώ πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μελέτες για τις αλκοόλες. Δεν υπάρχουν παραδείγματα για τον καθαρισμό μετάλλων.

Η θετική επίδραση των νανοσωλήνων άνθρακα στη διαδικασία καθαρισμού των μιγμάτων νερού-αιθανόλης έχει αποδειχθεί.

Επί του παρόντος, ιδιαίτερες ελπίδες στην ανάπτυξη πολλών τομέων της επιστήμης και της τεχνολογίας συνδέονται με τους νανοσωλήνες άνθρακα CNTs [Harris P. Carbon nanotubes and related structures. Νέα υλικά του 21ου αιώνα. - Μ.: Τεχνόσφαιρα, 2003. - 336 σ.].

Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό των CNT συνδέεται με τα μοναδικά χαρακτηριστικά προσρόφησής τους [Eletsky A.V. Ιδιότητες ρόφησης νανοδομών άνθρακα. - Προόδους στις φυσικές επιστήμες. - 2004. -Τ. 174, Αρ. 11. - Σ. 1191-1231].

Περιγράφεται ένα φίλτρο που βασίζεται σε νανοσωλήνες άνθρακα για τον καθαρισμό υγρών που περιέχουν αλκοόλ [Polikarpova N.P. και άλλα Bulletin of VolSU, σειρά 10, τεύχος. 6, 2012, 75 σ.]. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον καθαρισμό υγρών που περιέχουν αλκοόλη χρησιμοποιώντας μεθόδους διήθησης και μετάδοσης και προσδιορίστηκε το κλάσμα μάζας των CNT που οδηγεί στο καλύτερο αποτέλεσμα.

Οι πειραματικές μελέτες που διεξήχθησαν απέδειξαν ότι η επεξεργασία ενός μείγματος νερού-αιθανόλης με CNTs βοηθά στη μείωση της περιεκτικότητας σε πετρέλαια και άλλες ουσίες. Το μειονέκτημα αυτού του αναλόγου είναι η έλλειψη δεδομένων για τον καθαρισμό του νερού από μέταλλα.

Η εργασία μελέτησε τη ρόφηση/εκρόφηση του Zn(II) σε διαδοχικούς κύκλους από ενεργό άνθρακα και CNTs. Η προσρόφηση του Zn(II) από τον ενεργό άνθρακα μειώθηκε απότομα μετά από αρκετούς κύκλους, γεγονός που αποδόθηκε στη χαμηλή απομάκρυνση μεταλλικών ιόντων από την εσωτερική επιφάνεια των πόρων του ενεργού άνθρακα.

Η υδρόφοβη φύση των CNT προκαλεί την ασθενή αλληλεπίδρασή τους με τα μόρια του νερού, δημιουργώντας συνθήκες για την ελεύθερη ροή του.

Noy A., Park N.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos S.P. και Bakajin O. Nanofluidics in carbon nanotubes // Nano Today. 2007, τόμ. 2, αρ. 6, σελ. 22-29.

Η ικανότητα προσρόφησης των CNT εξαρτάται από την παρουσία λειτουργικών ομάδων στην επιφάνεια του προσροφητικού και τις ιδιότητες του προσροφητικού.

Για παράδειγμα, η παρουσία καρβοξυλικών, λακτονικών και φαινολικών ομάδων αυξάνει την ικανότητα προσρόφησης για πολικές ουσίες.

Οι CNT, που δεν έχουν λειτουργικές ομάδες στην επιφάνειά τους, χαρακτηρίζονται από υψηλή ικανότητα προσρόφησης για μη πολικούς ρύπους.

Ένας τρόπος για να δημιουργήσετε μια μεμβράνη είναι η ανάπτυξη CNTs σε μια επιφάνεια πυριτίου χρησιμοποιώντας ατμό που περιέχει άνθρακα χρησιμοποιώντας νικέλιο ως καταλύτη.

Οι CNT είναι μοριακές δομές που μοιάζουν με καλαμάκια από φύλλα άνθρακα πάχους κλάσματος νανομέτρων, πάχους 10-9 m, ουσιαστικά ένα ατομικό στρώμα από συνηθισμένο γραφίτη τυλιγμένο σε σωλήνα - ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα υλικά στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Τα CNT μπορούν επίσης να έχουν διευρυμένη δομή [ιστότοπος WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].

Τεχνολογία μεμβρανών, η οποία χρησιμοποιείται ευρέως για την απόκτηση πόσιμου νερού για τους κατοίκους του πλανήτη μας.

Υπάρχουν δύο σημαντικά μειονεκτήματα - η κατανάλωση ενέργειας και η ρύπανση της μεμβράνης, η οποία μπορεί να αφαιρεθεί μόνο με χημικές μεθόδους.

Μπορούν να δημιουργηθούν παραγωγικές και αντιρρυπαντικές μεμβράνες με βάση νανοσωλήνες άνθρακα ή γραφένιο [M. Οι Majumder et al. Nature 438, 44 (2005)].

Η πλησιέστερη στην αξιούμενη εφεύρεση από την άποψη της τεχνικής ουσίας και του επιτυγχανόμενου αποτελέσματος είναι μια μέθοδος για την παραγωγή ροφητών για καθαρισμό νερού [Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, δημοσίευση. 01.12.2004]. Αυτό το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας λαμβάνεται ως πρωτότυπο. Αυτή η μέθοδος σχετίζεται με το πεδίο του καθαρισμού του νερού ρόφησης, συγκεκριμένα με την παραγωγή ροφητών και μεθόδων καθαρισμού, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον καθαρισμό πόσιμου ή βιομηχανικού νερού με υψηλή περιεκτικότητα σε ιόντα βαρέων μετάλλων και πολικές οργανικές ουσίες. Η μέθοδος περιλαμβάνει την επεξεργασία φυσικού αργιλοπυριτικού με διάλυμα χιτοζάνης σε αραιό οξικό οξύ σε αναλογία αργιλοπυριτικού προς διάλυμα χιτοζάνης ίση με 1:1, σε pH 8-9.

Στον πίνακα 1 δείχνει μια συγκριτική περιγραφή των ροφητών που λαμβάνονται σύμφωνα με την εφεύρεση, που λαμβάνονται ως πρωτότυπο [Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας 2277013]. Δίνονται παραδείγματα για τη ρόφηση σε σχέση με τις βαφές και για τη ρόφηση ιόντων χαλκού, σιδήρου και άλλων μετάλλων από διαλύματα.

Το μειονέκτημα του πρωτοτύπου είναι η χαμηλή ικανότητα προσρόφησης για βαρέα μέταλλα (SOE) mg/l για χαλκό Cu +2 (από 3,4 έως 5,85)· δεν υπάρχουν δεδομένα για την προσρόφηση του τιτανίου και των ενώσεων του. COE, mg/l για Fe +3 κυμαίνεται από 3,4 έως 6,9.

Ο στόχος της εφεύρεσης είναι να αναπτύξει μια μέθοδο για τον καθαρισμό επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από τιτάνιο και τις ενώσεις του χρησιμοποιώντας νανοσωλήνες άνθρακα και έκθεση σε υπερήχους, η οποία θα παράγει υψηλής ποιότητας, καθαρό πόσιμο νερό και θα αυξήσει την αποτελεσματικότητα του καθαρισμού των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων λόγω τα υψηλά χαρακτηριστικά προσρόφησης των CNTs.

Το πρόβλημα επιλύεται με την προτεινόμενη μέθοδο καθαρισμού επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από τιτάνιο και τις ενώσεις του με χρήση CNTs, με χρήση υπερήχων ισχύος 50 W με συχνότητα υπερήχων 42 kHz για 1-15 λεπτά.

Η μέθοδος εκτελείται ως εξής. Το προσροφητικό είναι ένας νανοσωλήνας άνθρακα μονού τοιχώματος που έχει την ικανότητα να αλληλεπιδρά ενεργά με τα άτομα τιτανίου και τα κατιόντα του (Ti, Ti +2, Ti +4).

Ένα γραμμάριο CNT καθαρότητας 98% προστίθεται σε 99 g νερού για την απομάκρυνση των Ti, Ti +2, Ti +4 και στη συνέχεια ολόκληρο το περιεχόμενο τοποθετείται σε λουτρό υπερήχων UKH-3560 και εκτίθεται σε υπερήχους για 1-15 λεπτά. σε ισχύ 50 Watt και σε συχνότητα υπερήχων 42 kHz.

Μετά τη διήθηση, εξετάζονται δείγματα νερού που λαμβάνονται για ανάλυση. Η ανάλυση ατομικών εκπομπών χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της περιεκτικότητας σε τιτάνιο και των ενώσεων του σε δείγματα νερού πριν από την επεξεργασία των CNT και μετά την επεξεργασία δειγμάτων νερού με CNTs σε λουτρό υπερήχων.

Η προτεινόμενη «Μέθοδος καθαρισμού επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από τιτάνιο και τις ενώσεις του με χρήση νανοσωλήνων άνθρακα και υπερήχων» επιβεβαιώνεται από παραδείγματα που θα περιγραφούν παρακάτω.

Η εφαρμογή της μεθόδου σύμφωνα με τις καθορισμένες συνθήκες καθιστά δυνατή τη λήψη απολύτως καθαρού νερού με μηδενική περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του (Ti, Ti +2, Ti +4).

Το τεχνικό αποτέλεσμα επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι το CNT δρα ως τριχοειδές, απορροφώντας άτομα Ti και κατιόντα τιτανίου Ti +2 και Ti +4, οι διαστάσεις των οποίων είναι συγκρίσιμες με την εσωτερική διάμετρο του CNT. Η διάμετρος των CNT ποικίλλει από 4,8 Å έως 19,6 Å ανάλογα με τις συνθήκες για την απόκτηση CNTs.

Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι οι κοιλότητες των CNTs γεμίζουν ενεργά με διάφορα χημικά στοιχεία.

Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που διακρίνει τα CNT από άλλα γνωστά υλικά είναι η παρουσία μιας εσωτερικής κοιλότητας στον νανοσωλήνα. Το άτομο Ti και τα κατιόντα του Ti +2, Ti +4 διεισδύουν στο CNT υπό την επίδραση εξωτερικής πίεσης ή ως αποτέλεσμα του τριχοειδούς φαινομένου και διατηρούνται εκεί λόγω των δυνάμεων προσρόφησης [Dyachkov P.N. Νανοσωλήνες άνθρακα: δομή, ιδιότητες, εφαρμογή. - Μ.: Binom. Εργαστήριο Γνώσης, 2006. - 293 σελ.].

Αυτό επιτρέπει την επιλεκτική προσρόφηση από νανοσωλήνες. Επιπλέον, η εξαιρετικά καμπυλωτή επιφάνεια των CNT επιτρέπει την προσρόφηση αρκετά πολύπλοκων ατόμων και μορίων στην επιφάνειά του, ιδίως Ti, Ti +2, Ti +4.

Επιπλέον, η απόδοση των νανοσωλήνων είναι δεκάδες φορές μεγαλύτερη από τη δραστηριότητα των προσροφητών γραφίτη, που είναι σήμερα τα πιο κοινά καθαριστικά. Τα CNT μπορούν να προσροφήσουν ακαθαρσίες τόσο στην εξωτερική όσο και στην εσωτερική επιφάνεια, γεγονός που επιτρέπει την επιλεκτική προσρόφηση.

Επομένως, οι CNT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον τελικό καθαρισμό διαφόρων υγρών από ακαθαρσίες εξαιρετικά χαμηλής συγκέντρωσης.

Τα CNT έχουν ελκυστική υψηλή ειδική επιφάνεια του υλικού CNT, που φτάνει τις τιμές των 600 m 2 /g ή περισσότερο.

Μια τόσο υψηλή ειδική επιφάνεια, αρκετές φορές μεγαλύτερη από την ειδική επιφάνεια των καλύτερων σύγχρονων ροφητών, ανοίγει τη δυνατότητα χρήσης τους για τον καθαρισμό επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από βαρέα μέταλλα, ιδιαίτερα Ti, Ti +2, Ti +4 .

Σύνθεση CNTs. Χρησιμοποιώντας τη μονάδα σύνθεσης νανοσωλήνων άνθρακα CVDomna, ελήφθη CNT νανοϋλικού άνθρακα, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τον καθαρισμό επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από το τιτάνιο και τις ενώσεις του.

Πειραματικές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί για τον καθαρισμό του νερού από το τιτάνιο και τις ενώσεις του.

Για να προσδιοριστεί η βέλτιστη ποσότητα CNTs, είναι απαραίτητο να φέρετε την περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του σε εξαιρετικά χαμηλές ποσότητες. Αυτή η συγκέντρωση CNT βρέθηκε και σε μεταγενέστερα πειράματα χρησιμοποιήθηκε η βέλτιστη συγκέντρωση σε ποσότητα 0,01 g ανά 1 λίτρο αναλυόμενου νερού.

Η ανάλυση ατομικών εκπομπών έδειξε την παρουσία ατομικού Ti και των κατιόντων του (Ti +2, Ti +4) στα υπό μελέτη δείγματα νερού, από τα οποία μπορούμε να συμπεράνουμε ότι είναι το τιτάνιο και τα κατιόντα Ti +2, Ti +4 που αλληλεπιδρούν με νανοσωλήνες άνθρακα. Η ακτίνα ενός ατόμου Ti είναι 147 pm, δηλ. Τα κατιόντα τιτανίου μπορούν είτε να παρεμβληθούν στην κοιλότητα ενός νανοσωλήνα άνθρακα και να προσροφηθούν στο εσωτερικό (Εικ. 1) είτε να προσροφηθούν στην εξωτερική του επιφάνεια, σχηματίζοντας επίσης μια δομή γεφύρωσης με τα άτομα άνθρακα των εξαγώνων (Εικ. 2), σχηματίζοντας συνδεδεμένες μοριακές δομές .

Η εισαγωγή του Ti και των κατιόντων του στην κοιλότητα του CNT είναι δυνατή με τη σταδιακή προσέγγιση του Ti στον νανοσωλήνα κατά μήκος του κύριου διαμήκους άξονά του και τη διείσδυση των ατόμων τιτανίου και των κατιόντων του στην κοιλότητα του νανοσωλήνα με την περαιτέρω προσρόφησή τους στο εσωτερικό επιφάνεια του CNT. Είναι επίσης γνωστή μια άλλη παραλλαγή της προσρόφησης Ti, σύμφωνα με την οποία ένα άτομο τιτανίου μπορεί να δημιουργήσει σταθερούς δεσμούς Ti-C με άτομα άνθρακα στο εξωτερικό ενός νανοσωλήνα άνθρακα σε δύο απλές περιπτώσεις, όταν το Ti είναι στο 1/4 και το 1/2 του συνόλου. εξάγωνα (Εικ. 3) .

Δηλαδή, η προσρόφηση του τιτανίου και των κατιόντων του στην επιφάνεια των CNT δεν είναι μόνο θεωρητικά αποδεδειγμένο γεγονός, αλλά και πειραματικά αποδεδειγμένο στην έρευνα.

Το ροφητικό της εφεύρεσης είναι ένα σύμπλεγμα νανοσωλήνων άνθρακα μονού τοιχώματος που έχουν την ικανότητα να αλληλεπιδρούν ενεργά με το τιτάνιο και τα κατιόντα του, σχηματίζοντας σταθερούς δεσμούς και τη δυνατότητα προσρόφησης ατόμων τιτανίου και των ενώσεων του στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνεια των CNTs με σχηματισμός δομών γεφύρωσης με δύο δεσμούς Ti-C, εάν Ti +2 ή τέσσερις για Ti +4. Όταν καθαρίζεται νερό μολυσμένο με τιτάνιο και τις ενώσεις του, χρησιμοποιούνται CNT· το τιτάνιο προσροφάται στις επιφάνειες CNT λόγω των δυνάμεων van der Waals, δηλαδή το τιτάνιο και οι ενώσεις του από το ελεύθερο άτομο και τα κατιόντα Ti +2 και Ti +4 δεσμεύονται σε μια μοριακή σύνδεση (Εικ. 4).

Η δυνατότητα υλοποίησης της εφεύρεσης επεξηγείται από τα ακόλουθα παραδείγματα.

Παράδειγμα 1. Λήφθηκαν υπόγεια ύδατα από πηγάδι 1) με βάθος 40 m για δοκιμή για το περιεχόμενο της ποιοτικής στοιχειακής σύνθεσης, καθώς και ποσοτική ανάλυση για την περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του πριν από τον καθαρισμό με CNT και μετά από προσρόφηση CNT και επεξεργασία με υπερήχους . Χρόνος έκθεσης στον υπέρηχο 15 λεπτά. Η περιεκτικότητα σε Ti και των ενώσεων του μετά τον καθαρισμό είναι 0% (Πίνακας 2).

Παράδειγμα 2. Υπόγεια ύδατα από το πηγάδι 2) με βάθος 41 m, σε αντίθεση με το πηγάδι 1), αυτό το νερό βρισκόταν σε απόσταση 200 m από το πηγάδι 1) της δεξαμενής Bereslavsky (Volgograd). Χρόνος έκθεσης στον υπέρηχο 15 λεπτά. Η περιεκτικότητα σε Ti και των ενώσεων του μετά τον καθαρισμό είναι 0% σύμφωνα με την εφεύρεση (Πίνακας 2).

Παράδειγμα 3. Το νερό που ελήφθη από μια βρύση (περιοχή Sovetsky, Volgograd) καθαρίστηκε χρησιμοποιώντας CNT και έκθεση σε υπερήχους για 15 λεπτά, ισχύ 50 W και συχνότητα λειτουργίας υπερήχων 42 kHz (Πίνακας 2).

Παράδειγμα 4. Όλα είναι ίδια όπως στο παράδειγμα 1, αλλά ο χρόνος έκθεσης στον υπέρηχο είναι 1 λεπτό.

Παράδειγμα 5. Υπόγεια ύδατα από πηγάδι 1) βάθους 40 m λήφθηκαν για ανάλυση για την περιεκτικότητα σε τιτάνιο και τις ενώσεις του, και στη συνέχεια καθαρίστηκαν σύμφωνα με το πρωτότυπο [Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας RU 2277013].

Χρόνος έκθεσης στον υπέρηχο 15 λεπτά (πείραμα 1, 2, 3, 5). Χρόνος έκθεσης στον υπέρηχο 1 λεπτό (πείραμα 4).

Τα πλεονεκτήματα της αξιούμενης μεθόδου που βασίζεται σε CNTs περιλαμβάνουν πολύ υψηλό βαθμό προσρόφησης τιτανίου και των ενώσεων του. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του πειράματος, εξασφαλίζεται 100% καθαρισμός των υδάτων δοκιμής από τιτάνιο και τις ενώσεις του υπό βέλτιστες συνθήκες.

ΑΠΑΙΤΗΣΗ

Μια μέθοδος για τον καθαρισμό επιφανειακών και υπόγειων υδάτων από το τιτάνιο και τις ενώσεις του με χρήση νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) και υπερήχων, συμπεριλαμβανομένης της επαφής μολυσμένου νερού με προσροφητικά για τη δέσμευση βαρέων μετάλλων, που χαρακτηρίζεται από το ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα χρησιμοποιούνται ως προσροφητικό, οι οποίοι τοποθετούνται σε λουτρό υπερήχων , επηρεάζοντας CNTs και καθαρισμένο νερό σε λειτουργία 1-15 λεπτών, με συχνότητα υπερήχων 42 kHz και ισχύ 50 W.

Κάτοχοι του διπλώματος ευρεσιτεχνίας RU 2430879:

Η εφεύρεση σχετίζεται με τη νανοτεχνολογία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συστατικό σύνθετων υλικών. Οι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων παράγονται με πυρόλυση υδρογονανθράκων χρησιμοποιώντας καταλύτες που περιέχουν Fe, Co, Ni, Mo, Mn και τους συνδυασμούς τους ως ενεργά συστατικά, καθώς και Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 ως φορείς. Οι νανοσωλήνες που προκύπτουν καθαρίζονται με βρασμό σε διάλυμα υδροχλωρικού οξέος και στη συνέχεια πλύσιμο με νερό. Μετά την επεξεργασία με οξύ, η θέρμανση πραγματοποιείται σε ρεύμα αργού υψηλής καθαρότητας σε κλίβανο με διαβάθμιση θερμοκρασίας. Στην περιοχή εργασίας του κλιβάνου η θερμοκρασία είναι 2200-2800°C. Στις άκρες του φούρνου η θερμοκρασία είναι 900-1000°C. Η εφεύρεση καθιστά δυνατή τη λήψη νανοσωλήνων πολλαπλών τοιχωμάτων με περιεκτικότητα σε μεταλλικές ακαθαρσίες μικρότερη από 1 ppm. 3 μισθός f-ly, 9 ill., 3 πίνακες.

Η εφεύρεση σχετίζεται με τον τομέα της παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων υψηλής καθαρότητας (MWCNTs) με περιεκτικότητα σε μεταλλικές ακαθαρσίες μικρότερη από 1 ppm, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά σύνθετων υλικών για διάφορους σκοπούς.

Για τη μαζική παραγωγή MWCNTs, χρησιμοποιούνται μέθοδοι που βασίζονται στην πυρόλυση υδρογονανθράκων ή μονοξειδίου του άνθρακα παρουσία μεταλλικών καταλυτών που βασίζονται σε μέταλλα της υποομάδας σιδήρου [T.W.Ebbesen // Νανοσωλήνες άνθρακα: Παρασκευή και ιδιότητες, CRC Press, 1997, σελ. 139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Σύνθεση και χαρακτηρισμός υλικών νανοσωλήνων άνθρακα (ανασκόπηση) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, No. 4, v.41, p.377-390 ; J. W. Seo; A. Magrez; Μ.Μήλας; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Καταλυτικά αναπτυγμένοι νανοσωλήνες άνθρακα: από τη σύνθεση στην τοξικότητα // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]. Εξαιτίας αυτού, τα MWCNT που λαμβάνονται με τη βοήθειά τους περιέχουν ακαθαρσίες από τα μέταλλα των χρησιμοποιούμενων καταλυτών. Ταυτόχρονα, μια σειρά από εφαρμογές, για παράδειγμα, για τη δημιουργία ηλεκτροχημικών συσκευών και την παραγωγή σύνθετων υλικών για διάφορους σκοπούς, απαιτούν MWCNT υψηλής καθαρότητας που δεν περιέχουν μεταλλικές ακαθαρσίες. Τα MWCNT υψηλής καθαρότητας είναι πρωτίστως απαραίτητα για την παραγωγή σύνθετων υλικών που υπόκεινται σε επεξεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα ανόργανα εγκλείσματα μπορούν να είναι καταλύτες για τοπική γραφιτοποίηση και, ως αποτέλεσμα, να ξεκινήσουν το σχηματισμό νέων ελαττωμάτων στη δομή του άνθρακα [A.S. Fialkov // Άνθρακας, ενώσεις ενδιάμεσων στρωμάτων και σύνθετα υλικά που βασίζονται σε αυτό, Aspect Press, Μόσχα , 1997, σ. 588 -602]. Ο μηχανισμός της καταλυτικής δράσης των σωματιδίων μετάλλου βασίζεται στην αλληλεπίδραση ατόμων μετάλλου με μια μήτρα άνθρακα με το σχηματισμό σωματιδίων μετάλλου-άνθρακα με την επακόλουθη απελευθέρωση νέων σχηματισμών που μοιάζουν με γραφίτη που μπορούν να καταστρέψουν τη δομή του σύνθετου υλικού. Επομένως, ακόμη και μικρές ακαθαρσίες μετάλλων μπορεί να οδηγήσουν σε διαταραχή της ομοιογένειας και της μορφολογίας του σύνθετου υλικού.

Οι πιο συνηθισμένες μέθοδοι για τον καθαρισμό καταλυτικών νανοσωλήνων άνθρακα από ακαθαρσίες βασίζονται στην επεξεργασία τους με μείγμα οξέων με διαφορετικές συγκεντρώσεις όταν θερμαίνονται, καθώς και σε συνδυασμό με έκθεση σε ακτινοβολία μικροκυμάτων. Ωστόσο, το κύριο μειονέκτημα αυτών των μεθόδων είναι η καταστροφή των τοιχωμάτων των νανοσωλήνων άνθρακα ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε ισχυρά οξέα, καθώς και η εμφάνιση μεγάλου αριθμού ανεπιθύμητων λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο στην επιφάνειά τους, γεγονός που το καθιστά δύσκολο. για την επιλογή συνθηκών για επεξεργασία με οξύ. Σε αυτή την περίπτωση, η καθαρότητα των MWCNT που προκύπτουν είναι 96-98 wt.%, αφού τα μεταλλικά σωματίδια του καταλύτη εγκλωβίζονται στην εσωτερική κοιλότητα του νανοσωλήνα άνθρακα και δεν είναι προσβάσιμα από τα αντιδραστήρια.

Η αύξηση της καθαρότητας των MWCNTs μπορεί να επιτευχθεί με τη θέρμανση τους σε θερμοκρασίες πάνω από 1500°C, διατηρώντας παράλληλα τη δομή και τη μορφολογία των νανοσωλήνων άνθρακα. Αυτές οι μέθοδοι επιτρέπουν όχι μόνο τον καθαρισμό των MWCNTs από ακαθαρσίες μετάλλων, αλλά συμβάλλουν επίσης στη διάταξη της δομής των νανοσωλήνων άνθρακα λόγω της ανόπτησης μικρών ελαττωμάτων, της αύξησης του συντελεστή Young, της μείωσης της απόστασης μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη και της αφαίρεσης του επιφανειακού οξυγόνου. το οποίο στη συνέχεια εξασφαλίζει μια πιο ομοιόμορφη διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα σε πολυμερή μήτρα, απαραίτητη για την απόκτηση σύνθετων υλικών υψηλότερης ποιότητας. Η φρύξη σε θερμοκρασία περίπου 3000°C οδηγεί στον σχηματισμό πρόσθετων ελαττωμάτων στη δομή των νανοσωλήνων άνθρακα και στην ανάπτυξη υπαρχόντων ελαττωμάτων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η καθαρότητα των νανοσωλήνων άνθρακα που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας τις περιγραφόμενες μεθόδους δεν είναι μεγαλύτερη από 99,9%.

Η εφεύρεση επιλύει το πρόβλημα της ανάπτυξης μιας μεθόδου για τον καθαρισμό νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων που λαμβάνονται με καταλυτική πυρόλυση υδρογονανθράκων, με σχεδόν πλήρη αφαίρεση των ακαθαρσιών του καταλύτη (έως 1 ppm), καθώς και των ακαθαρσιών άλλων ενώσεων που μπορεί να εμφανιστούν κατά την όξινη επεξεργασία των MWCNTs , διατηρώντας παράλληλα τη μορφολογία των νανοσωλήνων άνθρακα.

Το πρόβλημα επιλύεται με μια μέθοδο καθαρισμού νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων που λαμβάνεται με πυρόλυση υδρογονανθράκων χρησιμοποιώντας καταλύτες που περιέχουν Fe, Co, Ni, Mo, Mn και τους συνδυασμούς τους ως ενεργά συστατικά, καθώς και Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 ως φορείς , το οποίο πραγματοποιείται βρασμός σε διάλυμα υδροχλωρικού οξέος με περαιτέρω πλύση με νερό, μετά από επεξεργασία με οξύ, η θέρμανση πραγματοποιείται σε ρεύμα αργού υψηλής καθαρότητας σε κλίβανο με κλίση θερμοκρασίας, στην περιοχή εργασίας η θερμοκρασία είναι 2200 -2800 ° C, στα άκρα του κλιβάνου η θερμοκρασία είναι 900-1000 ° C, με αποτέλεσμα να λαμβάνονται νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων με περιεκτικότητα σε μεταλλικές ακαθαρσίες μικρότερη από 1 ppm.

Η θέρμανση πραγματοποιείται σε αμπούλες από γραφίτη υψηλής καθαρότητας.

Ο χρόνος θέρμανσης σε μια ροή αργού είναι, για παράδειγμα, 15-60 λεπτά.

Το αργό χρησιμοποιείται με καθαρότητα 99,999%.

Μια σημαντική διαφορά της μεθόδου είναι η χρήση κλιβάνου με κλίση θερμοκρασίας για τον καθαρισμό των MWCNT, όπου οι ακαθαρσίες μετάλλων εξατμίζονται στη θερμή ζώνη και η συμπύκνωση μεταλλικών σωματιδίων με τη μορφή μικρών σφαιρών εμφανίζεται στην ψυχρή ζώνη. Για να πραγματοποιηθεί η μεταφορά μεταλλικών ατμών, χρησιμοποιείται μια ροή αργού υψηλής καθαρότητας (με καθαρότητα 99,999%) με ρυθμό ροής αερίου περίπου 20 l/h. Ο φούρνος είναι εξοπλισμένος με ειδικές σφραγίδες που αποτρέπουν την έκθεση σε ατμοσφαιρικά αέρια.

Η προκαταρκτική εκρόφηση νερού και οξυγόνου αέρα από την επιφάνεια του MWCNT και της αμπούλας γραφίτη, στην οποία το δείγμα τοποθετείται σε κλίβανο γραφίτη, καθώς και εμφύσηση τους με αργό υψηλής καθαρότητας, καθιστά δυνατή την αποφυγή της πρόσκρουσης στο καθαρισμένο MWCNT των αντιδράσεων μεταφοράς αερίου που περιλαμβάνουν υδρογόνο και αέρια που περιέχουν οξυγόνο, που οδηγούν στην ανακατανομή του άνθρακα μεταξύ των μορφών υψηλής διασποράς του και των καλά κρυσταλλοποιημένων μορφών γραφίτη με χαμηλή επιφανειακή ενέργεια (V.L.Kuznetsov, Yu.V.Butenko, V.I.Zaikovskii και A.L. Chuvilin // Διεργασίες ανακατανομής άνθρακα σε νανοάνθρακες // Carbon 42 (2004) σελ. 1057-1061· A.S. Fialkov // Διεργασίες και συσκευές για την παραγωγή υλικών σε σκόνη άνθρακα-γραφίτη, Aspect Press, Μόσχα, 2008, σελ. 510-514 ).

Οι καταλυτικοί νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων παράγονται με πυρόλυση υδρογονανθράκων χρησιμοποιώντας καταλύτες που περιέχουν Fe, Co, Ni, Mo και τους συνδυασμούς τους ως ενεργά συστατικά, καθώς και Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 ως φορείς (T.W. Ebbesen // Νανοσωλήνες άνθρακα: Παρασκευή and ιδιότητες, CRC Press, 1997, σελ.139-161· V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Synthesis and χαρακτηρισμός υλικών νανοσωλήνων άνθρακα (ανασκόπηση) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006 , Νο. 4, τ. 41, σ. 377-390, J.W.Seo, A.Magrez, M.Milas, K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Νανοσωλήνες άνθρακα που έχουν αναπτυχθεί καταλυτικά: από τη σύνθεση στην τοξικότητα / / Περιοδικό Φυσικής Δ (Εφαρμοσμένη Φυσική), 2007, τ.40, σημ.6).

Στην προτεινόμενη μέθοδο, για να αποδειχθεί η δυνατότητα απομάκρυνσης ακαθαρσιών των πιο τυπικών μετάλλων, πραγματοποιείται καθαρισμός για δύο τύπους MWCNTs που συντίθενται σε καταλύτες Fe-Co/Al 2 O 3 και Fe-Co/CaCO 3 που περιέχουν Fe και Co. αναλογία 2:1. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά της χρήσης αυτών των καταλυτών είναι η απουσία άλλων φάσεων άνθρακα εκτός των MWCNTs στα συντιθέμενα δείγματα. Παρουσία του καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3, λαμβάνονται MWCNT με μέση εξωτερική διάμετρο 7-10 nm και παρουσία του καταλύτη Fe-Co/CaCO 3, λαμβάνονται MWCNT με μεγάλες μέσες εξωτερικές διαμέτρους των 22-25 nm.

Τα ληφθέντα δείγματα εξετάζονται με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης, μέθοδο φασματικού φθορισμού ακτίνων Χ σε αναλυτή ARL - Advant "x με άνοδο Rh σωλήνα ακτίνων Χ (ακρίβεια μέτρησης ± 10%) και η ειδική επιφάνεια των δειγμάτων είναι μετράται με τη μέθοδο BET.

Σύμφωνα με τα δεδομένα TEM, τα αρχικά δείγματα αποτελούνται από πολύ ελαττωματικούς MWCNTs (Εικ. 1, 6). Τα θραύσματα των σωλήνων στην περιοχή των στροφών έχουν λεία, στρογγυλεμένα περιγράμματα. Στην επιφάνεια των σωλήνων παρατηρείται μεγάλος αριθμός σχηματισμών που μοιάζουν με φουλλερένιο. Τα στρώματα νανοσωλήνων που μοιάζουν με γραφένιο χαρακτηρίζονται από την παρουσία μεγάλου αριθμού ελαττωμάτων (σπασίματα, συνδέσεις τύπου Υ, κ.λπ.). Σε ορισμένα τμήματα των σωλήνων, υπάρχει ασυμφωνία στον αριθμό των στρώσεων στις διαφορετικές πλευρές των MWCNT. Το τελευταίο υποδηλώνει την παρουσία ανοιχτών εκτεταμένων στρωμάτων γραφενίου, που εντοπίζονται κυρίως μέσα στους σωλήνες. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες θερμαινόμενων MWCNTs σε ροή αργού υψηλής καθαρότητας σε θερμοκρασίες 2200°C - Εικ. 2, 7; 2600°C - Εικ. 3, 8; 2800°C - Σχήματα 4, 5, 9. Στα δείγματα μετά την πύρωση, παρατηρούνται πιο λεία MWCNT με λιγότερα εσωτερικά και ελαττώματα κοντά στην επιφάνεια. Οι σωλήνες αποτελούνται από ευθεία θραύσματα της τάξης των εκατοντάδων νανομέτρων με σαφώς καθορισμένες στροφές. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία πύρωσης, αυξάνονται οι διαστάσεις των ευθύγραμμων τμημάτων. Ο αριθμός των στρωμάτων γραφενίου στα τοιχώματα των σωλήνων σε διαφορετικές πλευρές γίνεται ο ίδιος, γεγονός που καθιστά τη δομή MWCNT πιο τακτοποιημένη. Η εσωτερική επιφάνεια των σωλήνων υφίσταται επίσης σημαντικές αλλαγές - τα μεταλλικά σωματίδια αφαιρούνται, τα εσωτερικά χωρίσματα γίνονται πιο διατεταγμένα. Επιπλέον, τα άκρα των σωλήνων κλείνουν - τα στρώματα γραφενίου που σχηματίζουν τους σωλήνες είναι κλειστά.

Η φρύξη των δειγμάτων στους 2800°C οδηγεί στο σχηματισμό ενός μικρού αριθμού μεγεθυσμένων κυλινδρικών σχηματισμών άνθρακα, που αποτελούνται από στρώματα γραφενίου ενσωματωμένα το ένα στο άλλο, που μπορεί να σχετίζονται με τη μεταφορά άνθρακα σε μικρές αποστάσεις λόγω αύξησης της πίεσης ατμών γραφίτη .

Μελέτες δειγμάτων αρχικών και θερμαινόμενων MWCNTs με τη χρήση της μεθόδου φθορισμού ακτίνων Χ έδειξαν ότι μετά τη θέρμανση δειγμάτων νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων σε θερμοκρασίες της τάξης των 2200-2800°C, η ποσότητα των ακαθαρσιών μειώνεται, κάτι που επιβεβαιώνεται και από την ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης . Η θέρμανση των δειγμάτων MWCNT στους 2800°C εξασφαλίζει σχεδόν πλήρη απομάκρυνση των ακαθαρσιών από τα δείγματα. Σε αυτή την περίπτωση, δεν αφαιρούνται μόνο ακαθαρσίες μετάλλων καταλύτη, αλλά και ακαθαρσίες άλλων στοιχείων που εισέρχονται στους MWCNT στα στάδια της όξινης επεξεργασίας και πλύσης. Στα αρχικά δείγματα, η αναλογία σιδήρου προς κοβάλτιο είναι περίπου 2:1, που αντιστοιχεί στην αρχική σύνθεση των καταλυτών. Η περιεκτικότητα σε αλουμίνιο στους αρχικούς σωλήνες που λαμβάνεται με τη χρήση δειγμάτων του καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3 είναι μικρή, γεγονός που σχετίζεται με την αφαίρεσή του κατά την επεξεργασία των νανοσωλήνων με οξύ κατά το πλύσιμο του καταλύτη. Τα αποτελέσματα της μελέτης της περιεκτικότητας σε ακαθαρσίες χρησιμοποιώντας τη μέθοδο φασματικού φθορισμού ακτίνων Χ δίνονται στους πίνακες 1 και 2.

Η μέτρηση της ειδικής επιφάνειας με τη μέθοδο BET έδειξε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ειδική επιφάνεια των δειγμάτων MWCNT αλλάζει ασήμαντα, διατηρώντας παράλληλα τη δομή και τη μορφολογία των νανοσωλήνων άνθρακα. Σύμφωνα με τα δεδομένα του TEM, η μείωση της ειδικής επιφάνειας μπορεί να συσχετιστεί τόσο με το κλείσιμο των άκρων των MWCNTs όσο και με τη μείωση του αριθμού των επιφανειακών ελαττωμάτων. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, είναι δυνατό να σχηματιστεί μια μικρή αναλογία διευρυμένων κυλινδρικών σχηματισμών με αυξημένο αριθμό στρώσεων και λόγο μήκους προς πλάτος περίπου 2-3, γεγονός που συμβάλλει επίσης στη μείωση της ειδικής επιφάνειας. Τα αποτελέσματα της μελέτης της συγκεκριμένης επιφάνειας δίνονται στον Πίνακα 3.

Η ουσία της εφεύρεσης επεξηγείται από τα ακόλουθα παραδείγματα, πίνακες (πίνακες 1-3) και απεικονίσεις (Εικόνες 1-9).

Ένα δείγμα MWCNTs (10 g), που λαμβάνεται με πυρόλυση αιθυλενίου παρουσία καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3 σε αντιδραστήρα χαλαζία ροής σε θερμοκρασία 650-750°C, τοποθετείται σε αμπούλα γραφίτη με ύψος 200 mm και εξωτερική διάμετρος 45 mm και κλειστό με καπάκι (διαμέτρου 10 mm) με οπή (διαμέτρου 1-2 mm). Η αμπούλα γραφίτη τοποθετείται σε μια αμπούλα χαλαζία και ο αέρας αντλείται με αντλία κενού σε πίεση τουλάχιστον 10 -3 Torr, ακολουθούμενο από καθαρισμό με αργό υψηλής καθαρότητας (καθαρότητα 99,999%), πρώτα σε θερμοκρασία δωματίου και στη συνέχεια σε θερμοκρασία 200-230°C για την αφαίρεση ομάδων επιφανειών που περιέχουν οξυγόνο και ίχνη νερού. Το δείγμα θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2200°C για 1 ώρα σε ροή αργού υψηλής καθαρότητας (~20 l/h) σε κλίβανο με κλίση θερμοκρασίας, όπου στην περιοχή εργασίας η θερμοκρασία διατηρείται στους 2200°C. , και στις άκρες του κλιβάνου η θερμοκρασία είναι 900-1000°C ΜΕ. Τα άτομα μετάλλου που εξατμίζονται από τα MWCNT κατά τη θέρμανση απομακρύνονται από το θερμό μέρος του κλιβάνου στο ψυχρό μέρος με μια ροή αργού, όπου το μέταλλο εναποτίθεται με τη μορφή μικρών σφαιρών.

Μετά την πύρωση, το υλικό που προκύπτει εξετάζεται με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης και μέθοδο φθορισμού ακτίνων Χ. Το Σχήμα 1 δείχνει ηλεκτρονιακές μικροσκοπικές εικόνες των αρχικών MWCNT και το Σχήμα 2 δείχνει MWCNT που θερμαίνονται στους 2200°C. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο BET, η ειδική επιφάνεια των δειγμάτων MWCNT προσδιορίζεται πριν και μετά την πύρωση. Τα δεδομένα που ελήφθησαν υποδεικνύουν μια ελαφρά μείωση στην ειδική επιφάνεια των δειγμάτων μετά την πύρωση σε σύγκριση με την ειδική επιφάνεια του αρχικού δείγματος MWCNT.

Παρόμοια με το παράδειγμα 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι ένα δείγμα των αρχικών MWCNT θερμαίνεται στους 2600°C για 1 ώρα σε ροή αργού υψηλής καθαρότητας (~20 l/h) σε κλίβανο με βαθμίδα θερμοκρασίας, όπου η θερμοκρασία σε ο χώρος εργασίας διατηρείται στους 2600°C, στους Η θερμοκρασία στα άκρα του φούρνου είναι 900-1000°C. Εικόνες θερμαινόμενων MWCNTs που λαμβάνονται με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης φαίνονται στο Σχήμα 3. Οι εικόνες TEM υψηλής ανάλυσης δείχνουν τα κλειστά άκρα των νανοσωλήνων.

Παρόμοια με το παράδειγμα 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι ένα δείγμα των αρχικών MWCNT θερμαίνεται στους 2800°C για 15 λεπτά σε ροή αργού υψηλής καθαρότητας (~20 l/h) σε κλίβανο με βαθμίδα θερμοκρασίας, όπου η θερμοκρασία σε ο χώρος εργασίας διατηρείται στους 2800°C, στους Η θερμοκρασία στα άκρα του φούρνου είναι 900-1000°C. Εικόνες θερμαινόμενων MWCNTs που λαμβάνονται με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης φαίνονται στο Σχήμα 4.

Η φρύξη στους 2800°C οδηγεί στο σχηματισμό ενός μικρού αριθμού μεγεθυσμένων κυλινδρικών σχηματισμών με αυξημένο αριθμό στρωμάτων και αναλογία μήκους προς πλάτος περίπου 2-3. Αυτές οι μεγεθύνσεις είναι ορατές σε εικόνες TEM (Εικόνα 5).

Παρόμοια με το παράδειγμα 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι τα αρχικά MWCNT ελήφθησαν παρουσία ενός καταλύτη Fe-Co/CaCO 3. Εικόνες των αρχικών MWCNT και MWCNT που έχουν θερμανθεί στους 2200°C, που λαμβάνονται με ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης, φαίνονται στα Σχήματα 6, 7, αντίστοιχα. Οι εικόνες TEM των αρχικών MWCNT δείχνουν μεταλλικά σωματίδια εγκλωβισμένα στα κανάλια του σωλήνα (σημειωμένα με βέλη).

Παρόμοια με το παράδειγμα 4, που χαρακτηρίζεται από το ότι ένα δείγμα του αρχικού MWCNT θερμάνθηκε στους 2600°C. Οι εικόνες ηλεκτρονιακής μικροσκοπίας μετάδοσης θερμαινόμενων MWCNTs φαίνονται στο Σχήμα 8. Οι εικόνες TEM υψηλής ανάλυσης δείχνουν τα κλειστά άκρα των νανοσωλήνων.

Παρόμοια με το παράδειγμα 4, που χαρακτηρίζεται από το ότι ένα δείγμα του αρχικού MWCNT θερμάνθηκε στους 2800°C για 15 λεπτά. Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης θερμαινόμενων MWCNTs φαίνονται στο Σχήμα 9. Οι εικόνες δείχνουν το σχηματισμό ενός μικρού κλάσματος μεγεθύνσεων.

Τραπέζι 1
Δεδομένα φασματικού φθορισμού ακτίνων Χ σχετικά με την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες σε MWCNT μετά τη θέρμανση, που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας τον καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3
Στοιχείο
Αρχικά MWCNT	MWCNT_2200°C Παράδειγμα 1	MWCNT_2600°C Παράδειγμα 2	MWCNT_2800°C Παράδειγμα 3
Fe	0.136	0.008	πατημασιές	πατημασιές
Co	0.0627	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Ο Αλ	0.0050	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Ca	πατημασιές	0.0028	0.0014	πατημασιές
Ni	0.0004	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Σι	0.0083	0.0076	πατημασιές	Οχι
Ti	Οχι	0.0033	πατημασιές	πατημασιές
μικρό	πατημασιές	Οχι	Οχι	Οχι
Cl	0.111	Οχι	Οχι	Οχι
Sn	0.001	0.001	πατημασιές	πατημασιές
Ba	Οχι	Οχι	Οχι	Οχι
Cu	0.001	0.001	πατημασιές	πατημασιές
Περιεκτικότητα ιχνοστοιχείων κάτω από 1 ppm

πίνακας 2
Δεδομένα φασματικού φθορισμού ακτίνων Χ σχετικά με την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες σε MWCNT μετά τη θέρμανση, που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας τον καταλύτη Fe-Co/CaCO 3
Στοιχείο	Εκτίμηση περιεκτικότητας σε ακαθαρσίες, wt.%
Αρχικά MWCNT	MWCNT_2200°C Παράδειγμα 4	MWCNT_2600°C Παράδειγμα 5	MWCNT_2800°C Παράδειγμα 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Co	0.0936	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Ο Αλ	0.0048	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Ca	0.0035	0.005	0.0036	πατημασιές
Ni	0.0003	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Σι	0.0080	0.0169	0.0098	πατημασιές
Ti	Οχι	πατημασιές	0.0021	0.0005
μικρό	0.002	Οχι	Οχι	Οχι
Cl	0.078	Οχι	Οχι	Οχι
Sn	0.0005	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές
Ba	0.008	Οχι	Οχι	Οχι
Cu	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές	πατημασιές

Πίνακας 3
BET ειδικής επιφάνειας αρχικών και θερμαινόμενων δειγμάτων MWCNT
Δείγμα MWCNT (καταλύτης)	Ssp., m 2 /g (±2,5%)
MWCNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) Παράδειγμα 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) Παράδειγμα 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) Παράδειγμα 3	304
MWCNT_ref (Fe-Co/CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) Παράδειγμα 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) Παράδειγμα5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) Παράδειγμα 6	134

Λεζάντες για τα σχήματα:

Εικ.1. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες του αρχικού δείγματος MWCNT που συντέθηκαν στον καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Στα δεξιά, παρακάτω είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης, η οποία δείχνει τα ελαττωματικά τοιχώματα των MWCNT.

Εικ.2. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2200°C, που συντίθεται σε καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Δεξιά, κάτω - εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης. Η δομή MWCNT γίνεται λιγότερο ελαττωματική και τα άκρα των νανοσωλήνων κλείνουν.

Εικ.3. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμάνθηκε σε θερμοκρασία 2600°C, που συντέθηκε σε έναν καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Στα δεξιά, παρακάτω είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης που δείχνει τα κλειστά άκρα των MWCNT. Τα τοιχώματα των MWCNT γίνονται πιο λεία και λιγότερο ελαττωματικά.

Εικ.4. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2800°C, που συντίθεται σε καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Στα δεξιά, παρακάτω είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης, η οποία δείχνει λιγότερο ελαττωματικούς τοίχους MWCNT.

Εικ.5. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που έχει θερμανθεί σε θερμοκρασία 2800°C, που συντίθεται στον καταλύτη Fe-Co/Al 2 O 3, εμφανίζοντας την εμφάνιση ελαττωμάτων στη δομή MWCNT, που είναι κυλινδρικοί σχηματισμοί που αποτελούνται από στρώματα γραφενίου φωλιασμένα μέσα σε κάθε άλλα, τα οποία εμφανίζονται στην επάνω δεξιά εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης.

Εικ.6. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες του αρχικού δείγματος MWCNT που συντέθηκαν στον καταλύτη Fe-Co/CaCO 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Στα δεξιά, παρακάτω είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης, η οποία δείχνει την ανώμαλη επιφάνεια των MWCNT. Στα δεξιά, στην κορυφή, τα σωματίδια του καταλύτη είναι ορατά ενθυλακωμένα μέσα στα κανάλια νανοσωλήνων άνθρακα (σημειωμένα με βέλη).

Εικ.7. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2200°C, που συντίθεται σε καταλύτη Fe-Co/CaCO 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Στα δεξιά, παρακάτω είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης, η οποία δείχνει πιο λεία τοιχώματα των MWCNT.

Εικ.8. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2600°C, που συντίθεται σε καταλύτη Fe-Co/CaCO 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Κάτω δεξιά είναι μια εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης που δείχνει τα κλειστά άκρα των MWCNT. Τα τοιχώματα των MWCNT γίνονται πιο λεία και λιγότερο ελαττωματικά.

Εικ.9. Ηλεκτρονικές μικροσκοπικές εικόνες ενός δείγματος MWCNT που θερμαίνεται σε θερμοκρασία 2800°C, που συντίθεται σε καταλύτη Fe-Co/CaCO 3. Στα αριστερά υπάρχει μια εικόνα TEM χαμηλής ανάλυσης. Δεξιά, κάτω - εικόνα TEM υψηλής ανάλυσης.

1. Μια μέθοδος για τον καθαρισμό νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων που λαμβάνεται με πυρόλυση υδρογονανθράκων χρησιμοποιώντας καταλύτες που περιέχουν Fe, Co, Ni, Mo, Mn και τους συνδυασμούς τους ως ενεργά συστατικά, καθώς και Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 ως φορείς, με βρασμό σε διάλυμα υδροχλωρικού οξέος με περαιτέρω πλύση με νερό, που χαρακτηρίζεται από το ότι μετά την όξινη επεξεργασία, η θέρμανση πραγματοποιείται σε ρεύμα αργού υψηλής καθαρότητας σε κλίβανο με διαβάθμιση θερμοκρασίας, όπου στην περιοχή εργασίας η θερμοκρασία είναι 2200- 2800°C, στα άκρα του κλιβάνου η θερμοκρασία είναι 900-1000°C, με αποτέλεσμα νανοσωλήνες πολλαπλών τοιχωμάτων με περιεκτικότητα σε μεταλλικές ακαθαρσίες μικρότερη από 1 ppm.

2. Η μέθοδος σύμφωνα με την αξίωση 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι η θέρμανση πραγματοποιείται σε αμπούλες από γραφίτη υψηλής καθαρότητας.