Проектна задача

Наноматеријалите – материјали на

иднината

Тема: Јаглеродни наноцевки

Проблем на проучување: Структура,

својства и примена на јаглеродните

нанотуби

Тим:

Викторија Стојанова

Викторија Коцева

Ментор:Гоце Лазаров

СОУ „Коста Сусинов“ - Радовиш

ВОВЕД

Брзиот напредок на технологијата е вистинска пресвртница за светот во кој живееме. Со секој нов ден се создава нешто ново,дотогаш непознато за човекот,со единствена цел да се овозможи подобар и полесен живот со побраз пристап до најпотребните работи.Севкупниот технолошки развој, не може да се замисли без новите материјали добиени врз основа на креирање на нови структури, но и со примена на неконвекционални технологии за нивно добивање. Модерната наука за материјалите, која се вплеткува и во секојдневниот живот, е мошне важна, како од економски така и од индустриски аспект.Со текот на времето развивани се материјали кои се појаки и полесни.За да ја разберат хемијата и физиката на материјалите до неодамна честа практика на научниците беше да изучуваат големи и комплексни структури, а потоа да ги испитуваат основните градбени единици кои се помали и поедноставни. Овој приод понекогаш се нарекува "topdown" наука. Со откривањето на scanning микроскопот овозможено е набљудувањето на индивидуалните атоми и молекули и можно е да се манипулира со атомите и молекулите и да се формираат нови структури. На тој начин се дизајнираат нови материјали кои се изградени од едноставни конституенти на атомско ниво. Оваа можност за уредување на структурите придонесува за развивање на структури со посакувани механички, електрични, магнетни и други својства.Овој пристап е наречен "bottom-up" пристап и овие материјали се нарекуваат наноматеријали, а производството и проучувањето на својствата на овие материјали се нарекува нанотехнологија. Патот кон наносветот се насетил во 1959 година со изјавата на познатиот американски физичир Ричард Фејман “На врвот од иглата има многу место”. Додека пак терминот нанотехнологија за прв пат беше дефиниран во 1974 година од страна на јапонскиот физичар Норио Танигуши.Така во втората половина на XX век настана една вистинска револуција во полето на физиката при што дојде до замена на микроелектрониката со наноелектроника и допринесе до појава и развој на голем број дисциплини, кои подоцна ќе бидат наречени според името на наноматеријалите. Префиксот “нано” кажува дека димензиите на овие структурни единици се од редот на нанометри (10-9m).Примената на нанотехнологијата во различни гранки на науката почнала уште пред 60 години. Уште тогаш во внатрешните страни на топовските цевки се наоѓале честички кои во својата структура биле нано материјали, а чија цел била зголемување на цврстината на челикот. Gолемината на компонентите внатре во компјутерскиот процесор се повеќе се намалува, на очилата и објективите на фотоапаратите и камерите се наоѓаат се потенки антирефлексивни слоеви, а може да се најдат и во УСБ стиковите и ласерите. Несомнено во иднина повеќе од технолошките достигнувања ќе ги користат овие материјали. Нанотубите се дел од семејството на наноматеријали, односно нанотехнологија. Врз основа на тоа, нанотубите со нивните цврсти и заштитнички својства ни овозможуваат висок поглед кон иднината и самиот живот. Кога би ја испитале издржливоста на јаглеродните нанотуби при издолжување, превиткување, ускување или сплескување покажале дека нанотубите се во состојба да претрпат големи деформации, а притоа да не дојде до кинење на молекулот. Со

тоа можеме да кажеме дека својства кои во себе ги носат нанотубите се еластичноста, издржливоста, цврстината,јакоста...Главна примена имаатво електрониката,во технологијата, во медицината итн. Со еден збор, имаат голема важност во животот поради нивната структура,својства како и нивната примена.

СТРУКТУРА НА ЈАГЛЕРОДНИ НАНОТУБИ

Јаглеродни наноцевки се алотропи на јаглеродот со цилиндрична наноструктура. Тие како дел од наноматеријалите претставуваат гигантски молекули кои се изградени единствено од јаглеродни атоми.Ваквите молекули од кои се изградени јаглеродните нанотуби имаат дијаметар кој изнесува неколку нанометри, а се долги по десетина микрометри.Во одредени ситуации се случува должината на молекулите да е и милион пати поголема од дијаметарот.Истите вакви молекули имаат цилиндрична форма и се шупливи.

Сознанието за структурата на нанотубите наједноставно се добива ако тргнете од еден предок на нанотубите, графитот.Така што јаглеродните атоми од кои се изградени јаглеродните нанотуби се распоредени правилно во една цилиндрична, свиена, саќеста структура. На краевите на оваа цилиндрична структура има така наречени свероидни капи кои се половинки од фулеренскиот молекул С60.

Во зависност од тоа од каква структура се состојат јаглеродните нанотуби разликуваме два вида на нанотуби и тоа: јаглеродните нанотуби со еден ѕид и јаглеродни нанотуби со повеќе ѕидови. Под дејство на висок притисок, наноцевките можат да се спојат едни со други, што овозможува да се создадат силни жици со неограничена должина.

→ Јаглеродни нанотуби со еден ѕид

Јаглеродните нанотуби со еден ѕид се најкарактеристичен вид на нанотуби,бидејќи имаат одлични електрични својства за разлика од нанотубите со повеќе ѕидови. Најголемиот потенцијал лежи во заменувањето на жицата со една нанотуба, што би значело драстично намалување на големината на елементите во електрониката.Нанотубите со еден ѕид се сеуште многу скапи. Ако во иднина не се измислат нови техники за производство на овој материјал, производство на фабричко ниво би било ништо помалку од научна фантастика.

→ Јаглеродни нанотуби со повеќе ѕидови

Јаглеродните нанотуби со повеќе ѕидови се посебно

карактеристични бидејќи се изградени од повеќе слоеви на графит

кои сите заедно се завиткани во форма на цевка,поради што и се

наречени наноцевки.

СВОЈСТВА НА ЈАГЛЕРОДНИТЕ НАНОТУБИ

Структурата на јаглеродните нанотуби е така издиференцирана така што поради големата шупливост и празните меѓупростори имаат многу мала густина,а притоа важен факт е дека тие поседуваат многу високи модули на еластичност.Така Нивниот Јунгов модул на еластичност е од ред на големина 1 терапаскал ( 1 терапаскал е 1012паскали).За нивната голема еластичност претставува и подолу наведената слика.

При испитувањето на издржливоста на јаглеродните нанотуби при издолжување, превиткување, ускување или сплескување се покажува дека нанотубите се во состојба да претрпат големи деформации, а притоа да не дојде до „кинење“ на нивните молекули,при што по престанувањето на механичкото дејство што довело до овие деформации, нанотубите се враќаат во почетната состојба. Па според ова занимливо својство на нанотубите во иднина се смета дека тие ќе претставуваат механички најиздржливи влакна кои што воопшто се направени. Поради шупливата структура која ја имаат, тие се склони кон извиткување кога се изложени на компресиона, свивлива и завртлива сила.

Јаглеродните нанотуби се изгреадени од шилести израстоци ( т.н. сингуларности) кои покажуваат дека молекулот се акомодира на надворешниот притисок, скоковито менувајќи го во даден момент својот облик во нов.Притоа, вишокот

енергија се ослободува во вид на акустичен бран кој се шири по неговата површина поради што нанотубите се нарекуваат и „крцкави молекули. Ваквите својства отвораат широко поле на примена на нанотубите. Способноста на нанотубите да бидат свиени без да дојде до„кршење“ на молекулот, веќе нашла примена кај сканирачката микроскопија и кај т.н. AFM(„atomic force microscopy“), каде нанотубата е користена како контактен врв од сондата на микроскопот. За наноцевките не се ништо помалку карактеристични и нивните електрични својства.Овие совојства се пред се резултат на карактеристичната електронска струкутра на графитот,а воедно и поради нивните нанометриски димензии.Токму поради тоа тие имаат спроводни својства и притоа е докажано дека јаглеродните

нанотуби можат да се однесуваат како метали или полуспроводници,а пак дали една нанотуба ќе биде метал или полуспроводник, зависи од дијаметарот и спиралноста на нејзината хексагонална решетка. Јаглеродната нанотуба може да се транформира од метал во полуспроводник со широк енергетски процес и со блага, мала промена на некој од овие два параметри. Но сепак електрични својства на нанотубите кои претставуваат едноатомски слој од графит свиен во цилиндар видно ќе се разликуваат од оние на графитот.Причина за оваа разлика се должи на тоа што поради еднослојноста на ѕидот на електроните им е ограничено движењето на радијалната насока, а поради цилиндричната форма, ограничени се можните брзини (поточно бранови вектори) на електроните при нивното кружно движење по обиколката на ѕидот, бидејќи се појавуваат т.н. периодични гранични услови ( овие гранични услови се во врска со брановата природа на електроните) .

Електрични својства кои ги поседуваат јаглеродните нанотуби ги прават погодни за следниве две главни примени во нанотехнологијата: добивање на микро електромеханички системи и развивање на т.н. молекуларна електроника.

Јакоста како најкарактеристично својство кое го поседуваат јаглеродните нанотуби ги прави да се едни од најјаките и најкрутите материјали откриени досега во светот со висок поглед на затегачката јакост. Пред повеќе години нанотубите со повеќе ѕидови биле тестирани,така што тестирањето покажало дека нанотубите имаат затегачка јачинаод 63GP (гигапаскали).Затоа што нанотубите имаат многу мала густина за цврст материјал, нивната специфична јакост е од 48 000 kN-m/kg претставува најголемата за било кој познат материјал.Но сето ова се должи како резултат на ковалентните sp2 врски кои ги формираат индивидуалните јаглеродни атоми.

ПРИМЕНА НА ЈАГЛЕРОДНИТЕ НАНОЦЕВКИ

Првиот компјутер направен од јаглеродни наноцевки

Долго време се претпоставува дека јаглеродните наноцевки претставуваат „наследници на тронот на силициумот“, но изградбата на функционален компјутер изгледала невозможна.Со текот на времето кај одредени инжињери се појавила идејата за создавање на најкомплексен електронски систем создаден од јаглеродни наноцевки.Компјутерот направен од јаглеродни наноцевки има доволно меморија,а притоа не постои граница за задачите кои може да ги изведува.

Тој работи на основен оперативен систем, но за разлика од другите компјутери направени на јаглеродна основа, овој секогаш го дава точниот одговор. Луѓето одамна зборуваат за новата ера на електронски направи создадени од јаглеродни наноцевки, но имало малку прикази. Ова е доказот дека тие се возможни. Потребни

се години за овие компјутери да ја добијат онаа моќ на моделите направени на силициумска основа, но не постои технолошка граница која ќе го спречи тој напредок. Со изкористување на наноцевките во се добива машина која е е помала, побрза и поефикасна од денешните силициумски модели.

Чипови за следење во училишните униформи

Во поразвиените земји започнато е вградување на чипови во училишните униформи со цел да ги следат учениците и да се спречи бегањето од часови.Родителите ќе добиваат текстуална порака (СМС) кога нивните деца ќе пристигнат на училиште, ако тие доцнат на час или пак воопшто не отидат на училиште.

Ова вградување на чиповите под значката од школска униформа или на ракавот,се мошне практични бидејќи униформите можат да се перат и пеглаат, без да дојде до оштетување на чиповите.Притоа на влезот на училиштето ќе има поставено сензори изградени од наноцевки.Кога ученикот поминува низ сензорите во влезот на училиштето, чипот праќа SMS порака на родителите.Ако учениците доцнат повеќе од 20

минути на час или пак воопшто не влегло во училиштето, нивните семејства се предупредени со пораката: "Вашето дете се уште не пристигнало во училиштето." Истото се случува и кога детето ќе го напушти училиштето се праќа порака: "Вашето дете ја напушти училишната зграда."

Употреба на јаглеродните наноцевки во нашето секојдневие

Поради исклучително високата црвстина и крутост, јаглеродните наноцевки наоѓаат широка примена како адитив во спортска опрема како на пр. тениски рекети, голф палки, делови за велосипеди и др.A pokraj toa nao|aat primena i vo najrazliчни креми и дезодеранси,пред се поради тоа што штитат од UV зраците,а воедно имаат и антиоксидансно дејство.Тие се присутни во нашето секојдневие и ни овозможуваат подобро да спортуваме, ги аплицираме на нашата кожа се со цел да ја заштитиме, а голем дел од нив завршуваат и во нашиот стомак. 

ЛИЧЕН СТАВ НА ТИМОТ ЗА ПРИМЕНАТА

НА ЈАГЛЕРОДНИТЕ НАНОЦЕВКИ

“Прстени“ од нано-цевчиња како соларни ќелии за врелите издувните гасови

Врелите гасови од издувните оџаци на фабриките може да бидат искористени за производство на енергија, со примена на“Прстени“ од нови материјали на база на јаглеродни нано-цевчиња. Термоќелијата произведува електричество за иста цена по ват како и комерцијалните соларни ќелии. При издувните гасови од фабриките се губи големо количесто топлина, која што може да биде избегната преку вградување на термоќелии за обновување на изгубената енергија. Во термоќелиите, наместо платински електроди можат да се користат јаглеродни нано-цевчиња, кои се поевтини, бидејќи нано-цевчињата имаат огромна специфична површина во минимален волумен, и електроните брзо би преминувале помеѓу електролитот и нано-цевчестите елктроди.

Употреба на јаглеродните наноцевки за претворање на топлинската енергија, ослободена при триење во електрична

Секојдневно во сите области од нашето живеење ние трошиме големи количини на енергија во вид на топлина. Јаглеродните наноцевки се така издиференцирани што имаат моќност голем дел од топлотната енергија да ја претвораат во електрична.Така на пример топлотната енергија која се ослободува при триењето на автомобилските гуми, на сите преносни каиши, при трињето кое настанува во системот за кочење во автомобилот би можела да биде претворена во електрична струја при што би се обезбедило доволно енергија за радиото, климатизерот, системот за навигација и осветлувањето во самиот автомобил.

Текстил издржлив на топлина

Кога би се споменил зборот оган, во нас пробудува чувство на топлина, пробудува потреба за заштита. Но, за жал, тешко која ткаенина или било кој друг текстилен материјал би издржал висока температура. Денес, благодарејќи на нанотехнологијата, би можеле да созададеме текстил кој е издржлив на топлина со помош на јаглеродните наноцевки вткаени во материјалот. Така овој материјал би бил најпогоден за пожарникарите, чија опрема ќе се изработува токму од овој материјал со што би се намалиле шансите да дојде до нивно запалување. Исто така голема примена би имал и во

автоспортот- облеката на возачите, во фабриките поточно во опремата на ложачи на печки и во многу други сфери.