графеновые нанотрубки что это и для чего нужна
Что такое углеродные нанотрубки?
Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические молекулы, изготовленные из свернутых листов графена. Это самые жесткие и прочные материалы, которые были синтезированы. Они имеют уникальные электрические и тепловые свойства. Эти нанотрубки могут иметь множество применений, от электроники до материаловедения.
Углеродная нанотрубка представляет собой чрезвычайно маленькую цилиндрическую структуру, изготовленную из графена. Графен представляет собой один слой атомов углерода, плотно связанных в двумерной гексагональной решетке.
Они могут быть изготовлены различной длины в соответствии с требованиями. Эти конструкции невероятно легкие, стабильные и обладают потенциалом для разработки удивительных материалов будущего. На самом деле, они считаются лучшим кандидатом на материал для строительства космического лифта.
Ниже мы подробно остановились на процессе производства, свойствах и применениях углеродных нанотрубок. Это просто краткий обзор того, что мы знаем об этих удивительных молекулах.
Два основных типа углеродных нанотрубок
Одностенная зигзагообразная углеродная нанотрубка
1) Одностенные нанотрубки (ОСНТ): имеют диаметры в диапазоне один нанометр. Они являются одним из углеродных аллотропов, промежуточных между плоскими графеновыми и фуллереновыми клетками.
2) Многостенные нанотрубки (MWNT): состоит из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок. Они могут быть длиной в несколько микрометров (или даже миллиметров) с диаметром более 100 нанометров.
Обе структуры имеют различные характеристики, которые делают эти нанотрубки подходящими для различных применений.
Кто открыл углеродные нанотрубки?
Это довольно спорный вопрос, потому что многие ученые сообщают о существовании углеродных нанотрубок. В документе, опубликованном в 2006 году, описывалось увлекательное и часто искаженное происхождение углеродной нанотрубки.
Хотя история углеродных нанотрубок восходит к началу 1950-х годов (когда два российских ученых опубликовали четкие изображения углеродных трубок с 50 нанометрами), большая часть научной и популярной литературы посвящена японскому физику Сумио Иидзиме за открытие полого нанометрового размера трубы, состоящие из графитового углерода.
В 1991 году он написал статью, описывающую многостенные углеродные нанотрубки, что послужило основанием для интенсивных исследований углеродных наноструктур.
Как они сделаны?
Углеродные нанотрубки могут быть изготовлены несколькими способами. Тремя наиболее распространенными процедурами являются разряд, лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы.
При лазерной абляции для испарения графита используются инертный газ и пульсирующий лазер (при высоких температурах). Углеродные нанотрубки затем извлекаются из паров, которые обычно требуют дальнейшей очистки.
Процесс химического осаждения из паровой фазы дает возможность массового производства нанотрубок в более легко контролируемых условиях и при меньших затратах. Таким образом, в настоящее время это самый популярный метод синтеза углеродных нанотрубок.
В этом процессе производители объединяют углеродсодержащие реакционные газы (такие, как окись углерода или водород) с металлическими катализаторами (такими как железо), чтобы получить нанотрубки на катализаторе внутри высокотемпературной печи.
Процесс может быть либо плазменным, либо чисто каталитическим. Последнее требует более высоких температур (до 750 ° C), чем процесс с плазменной поддержкой (200-500 ° C).
Во всех этих трех методах конечные продукты должны быть дополнительно очищены с использованием различных методов, таких как обработка ультразвуком или кислотой.
Свойства углеродных нанотрубок
Сравнение механических свойств разных материалов
Нанотрубки удерживаются вместе сравнительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Обычно углеродные нанотрубки намного длиннее своего диаметра. В 2013 году исследовательская группа создала углеродные нанотрубки длиной 0,5 метра с отношением диаметра к длине 1: 132 000,00.
Электроуглеродные нанотрубки обладают исключительной электропроводностью. Они либо металлические, либо полупроводниковые, и эти свойства не зависят от того, свернута ли трубка ниже или выше плоскости графена. Электрические свойства остаются неизменными для нанотрубки и ее зеркального отражения.
Теоретически, металлические нанотрубки могут нести в 1000 раз больше плотности электрического тока, чем металлы, такие как медь.
Оптико-углеродные нанотрубки обладают полезными свойствами фотолюминесценции, оптического поглощения и спектроскопии комбинационного рассеяния света.
Они обеспечивают надежную и быструю характеристику «качества нанотрубок» с точки зрения структурных дефектов и нетрубого содержания углерода. Эти характеристики определяют практически все важные свойства, включая электрические, механические и оптические свойства.
Хотя электрохимические, электрические и механические свойства нанотрубок хорошо изучены и имеют практическое применение в различных областях, применение оптических свойств до сих пор неясно. До настоящего времени светодиоды, оптоэлектронные запоминающие устройства, болометры были реализованы с использованием одностенных углеродных нанотрубок.
Применение
За последние два десятилетия цены на углеродные нанотрубки снизились с 1500 долларов за грамм до 2 долларов за грамм. Это открыло широкий спектр применений, особенно в области материаловедения и электроники.
В настоящее время используются плоские дисплеи, сенсорные устройства, сканирующие зондовые микроскопы, ветряные турбины, морские краски, велосипедные компоненты и спортивное оборудование, такое как хоккейные клюшки, лыжи и бейсбольные биты.
Гибкий водородный датчик из одностенных нанотрубок / Фото: DR. Sun / Argonne
Объемные углеродные нанотрубки были использованы для создания вантаблака (одного из самых темных известных материалов, который поглощает до 99,96% видимого света). В тканевой инженерии они могут использоваться в качестве строительных лесов для роста костей.
В будущем эти нанотрубки могут использоваться для различных целей: их можно использовать для лечения рака, мониторинга окружающей среды, накопления энергии, плоских дисплеев, конструкций самолетов, радаров и космических аппаратов.
Риски для здоровья углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки-это недавно открытый материал с многолетней историей. Нам еще многое предстоит раскрыть. Хотя из-за этого материала не произошло никаких серьезных несчастных случаев, некоторые результаты показывают, что нанотрубки могут представлять опасность для здоровья, аналогичную асбесту.
Потенциальные риски для здоровья не являются причиной для тревоги, но компании, работающие с углеродными нанотрубками, должны принять некоторые меры предосторожности, чтобы избежать воздействия.
В 2013 году Национальный институт безопасности и гигиены труда опубликовал отчет с подробным описанием рисков и рекомендованных пределов воздействия для углеродных нановолокон и нанотрубок.
В 2016 году Европейский Союз установил правила коммерциализации одностенных углеродных нанотрубок (до 10 метрических тонн).
Последние исследования
Много исследований было проведено в той же области, особенно в последние пару лет.
Например, в 2019 году ученые открыли новый способ физического измерения углеродных нанотрубок. Другая группа исследователей продемонстрировала 16-разрядный микропроцессор, состоящий из 14 000 углеродных нанотрубок.
В 2018 году исследователи создали большое количество нетронутых одностенных нанотрубок в оттенках радуги. Это может найти применение в средствах для нанесения покрытий для новых типов солнечных элементов или технологий с сенсорным экраном.
В 2017 году ученые обнаружили, что усовершенствованные одностенные углеродные нанотрубки могут предложить более эффективный и устойчивый способ очистки и очистки воды, чем традиционные промышленные материалы, такие как силиконовые гели.
Нанотрубки будущего: на чем зарабатывает первый русский «единорог»
Рынок одностенных углеродных (или графеновых) нанотрубок значительно консолидирован, констатировала в 2019 году Transparency Market Research, причем более 90% на нем приходится на продукцию OCSiAl.
Сейчас основанная в 2010 году компания работает на рынках 40 стран, в ее штате — более 400 человек. Штаб-квартира OCSiAl находится в Люксембурге, ключевые офисы — в России, Китае, Европе и Америке. Основная часть продукции уходит на экспорт, из которого 85% приходится на азиатские страны, в первую очередь — на Китай, Японию и Корею.
Графеновые (одностенные) нанотрубки — это свернутый в трубку слой графена толщиной в один атом углерода. Такие нанотрубки, обладающие повышенной электропроводностью и прочностью (выше стали), а также выдерживающие высокие температуры, добавляют в другие материалы, чтобы придать им новые свойства. Например, использование графеновых нанотрубок в литий-ионных батареях увеличивает срок службы аккумулятора в четыре раза. Добавление их в стекло, алюминий и ряд пластиков усиливает прочность изделий из них. Применение технологии при производстве текстиля для спецодежды придает материалам антистатические свойства, в силиконе с нанотрубками появляется проводимость и сохраняется цвет, в шинах улучшаются сцепление и износостойкость.
Азиатско-Тихоокеанский регион, по данным на 2018 год, занимал почти половину мирового рынка одностенных углеродных нанотрубок. Еще 40% приходилось на Европу. Среди крупных игроков, помимо OCSiAl — японские компании Meijo Nano Carbon, Zeon Nano Technology и британская Thomas Swan & Company.
По мнению руководителя группы «Квантовая спинтроника и низкоразмерные материалы» Российского квантового центра Александра Чернова, помимо применения одностенных углеродных нанотрубок в качестве элементов электронных устройств, перспективным может быть их использование в оптических элементах для лазеров. В этой сфере рынок может быть меньше по объемам, но преимущества таких нанотрубок здесь более заметны, говорит он. В менее наукоемких направлениях, например применении в качестве добавок для упрочнения, создания проводящих или гидрофобных (не вступающих во взаимодействие с водой) покрытий, у нанотрубок есть конкуренты, говорит Чернов.
Однако международное научное сообщество раскритиковало внесение углеродных нанотрубок в этот список, так как их возможный запрет был бы необоснован с точки зрения науки и нанес бы ущерб развитию инноваций. Соответствующая статья за авторством 39 ученых опубликована в научном журнале Nature.
Открытие из Академгородка
Открытие, благодаря которому можно в промышленных масштабах производить и использовать графеновые нанотрубки, сделал академик РАН Михаил Предтеченский. На основе его исследований компания может «выращивать» нанотрубки не в плоскости, а в объеме. Президент OCSiAl Юрий Коропачинский подчеркивает, что без этого открытия не было бы компании OCSiAl.
Основателями и ключевыми акционерами OCSiAl являются академик Михаил Предтеченский и бизнесмены Юрий Коропачинский, Олег Кириллов и Юрий Зельвенский. Как пояснил Юрий Коропачинский, одним из первых крупных частных инвесторов проекта стал основной акционер Экспобанка Игорь Ким. В сумме все пятеро владеют более 50% акций OCSiAl.
Достижение компании OCSiAl в том, что она в 2014 году внедрила первую промышленную технологию синтеза графеновых нанотрубок — производство их в больших масштабах. Это сделало их использование экономические выгодным для различных производств.
В 2013 году компания запустила первую промышленную установку синтеза нанотрубок в Академгородке Новосибирска. В 2014 году продукция компании под брендом TUBALL вышла на рынок. Главное производство и научно-исследовательская база компании, а также центр прототипирования материалов и технологий на базе графеновых нанотрубок находятся в Новосибирске. В 2019 году второй такой центр запущен в Шанхае. Третий открыт в Люксембурге в 2020 году.
Как говорит Александр Чернов, OCSiAl действительно смогла заявить о себе: «В научных кругах было выполнено большое число работ на основе материала их производства, охват аудитории высокий, это известный производитель. Однако многие зарубежные работы (судя по научным статьям) по-прежнему выполняются на материалах других производителей».
Совокупные производственные мощности OCSiAl на данный момент приближаются к 100 тоннам. Их хватит, чтобы изменить свойства более 100 тыс. тонн материалов для улучшения их качеств с учетом ультранизкой концентрации нанотрубок в основном составе, говорит Коропачинский.
Сейчас в мире более распространено производство многостенных углеродных нанотрубок, говорит руководитель группы оценки рисков устойчивого развития АКРА Максим Худалов. «Они нацелены примерно на тот же сегмент, что и одностенные, но весят намного больше и их электропроводимые свойства гораздо хуже. Одностенные нанотрубки в этом смысле гораздо серьезнее меняют свойства материалов», — объясняет аналитик. Так как крупных производителей одностенных нанотрубок сейчас практически нет и в большей степени ими занимаются университеты и исследовательские институты, то компания OCSiAl является в этом сегменте почти монополистом, отмечает он. Сложности для одностенных углеродных нанотрубок заключаются в том, что их массовое внедрение может затянуться — на это нужно не менее пяти лет, считает эксперт.
«Да, эта продукция обещает сумасшедшие достижения с точки зрения материаловедения. Но нужно понимать, что быстро такие вещи не случаются. Любое улучшение конструкции, материаловедческое внедрение требуют множества тестов. Никакой инженер не разрешит использование инновационного бетона с такими добавками на сложном сооружении, потому что, если оно рухнет, ему придется за это отвечать. До того как появится сертификация от госорганов как в России, так и за рубежом, ожидать, что рынок углеродных нанотрубок резко рванет вверх, наверное, не стоит», — рассуждает Худалов.
Однако, как и в случае других инноваций, сложнее всего отделить ранний рынок от основного. На раннем рынке темпы прироста были высокими — 25% в год. Но каков его реальный потенциал? Основные будущие потребители — это производители электромобилей. Однако эта часть рынка плохо предсказуема, считает аналитик ГК «Финам» Леонид Делицын.
Главным рынком для роста в компании называют электротранспорт, и в частности, производство литий-ионных батарей. Как раннее говорил Коропачинский, из 160 мировых производителей литий-ионных батарей компания работает со 140. Большинство контрактов защищены соглашениями о неразглашении.
Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram
Что такое графеновые нанотрубки и где их применяют?
Взяв в руки карандаш, только подумай: ты держишь один из самых удивительных материалов на Земле. Графен представляет из себя слой из кристаллической решетки толщиной всего в один атом углерода. Если посмотреть на него сверху, можно увидеть, что его структура напоминает пчелиные соты, а атомы находятся в вершинах шестигранников. Графен практически полностью прозрачен, гибок, отлично проводит тепло и электричество, а также невероятно прочен. Именно этот материал послужил основой инновационного изобретения. О том, что же такое графеновые нанотрубки, область применения ноу-хау, мы расскажем прямо сейчас.
Открытию предшествовали десятки лет работы. Было опубликовано более 800 тыс. научных статей и получено 50 тыс. патентов. Официально совершил открытие японский ученый, Моринобу Эндо в 70-х годах XX века. Впервые промышленное производство трубок в России началось в 2014 году компанией OCSiAl. Изобретение стало выходить на рынок под брендом «TUBALL».
Что это такое
Это устройство еще называют одностенной углеродной нанотрубкой. Внешне она похожа на свернутую в трубку графеновую плоскость. Благодаря необычным физическим качествам изобретение становится универсальным аддитивом. Оно дает возможность повысить удельные характеристики 70% базовых материалов.
Алгоритм работы простой. Если внести в матрицу материала графеновую нанотрубку, которая хорошо диспергирована, то образуется трехмерная армирующая и электропроводящая сеть. Она открывает ряд новых параметров и практически не влияет на изначальный цвет и другие характеристики конечного продукта.
Есть два вида изобретения:
Они имеют разные свойства и по-разному воздействуют на материалы. Более подробно об этом в таблице:
Свойства, о которых мы не знали
Устройство обладает целым рядом необычных полезных качеств:
Где применяется технология
У одностенных нанотрубок несколько сфер использования. Они широко применяются при производстве литий-ионных аккумуляторов, углепластиковых материалов, а также в автомобильной промышленности.
Так, если добавить нанотрубки в кислотно-свинцовый аккумулятор, то заметно вырастет количество циклов перезарядки.
На данный момент один километр трассы «Дон» покрыли асфальтом, в составе которого есть рассматриваемая технология. В ходе испытаний раскрылось несколько интересных фактов:
Нельзя не отметить и сферу производства шин. На данный момент в шинах много углерода (поэтому, кстати, они черного цвета). Это делается для того, чтобы в них не скапливалось статистическое электричество. Когда мы заменим углерод незначительным количеством нанотрубок, износостойкость шин станет выше, а электропроводность останется на прежнем уровне. Кроме этого, на дорогах мы сможем увидеть шины самых разных цветов.
Добавлять изобретение можно в материал покрытия для пола и подошву обуви. Тем самым мы избежим «чирканья» по полу. Что интересно, если покрыть стеклянную бутылку или банку нанотрубками, то емкости станут в разы прочнее.
Как главная составляющая сверхточных и миниатюрных детекторов графен может совершить революцию в медицине. Также материал используется для создания гибких и прочных тачскринов нового поколения.
Почему не использовали раньше
Технологию уже называют «материалом будущего» и связывают с ней новую технологическую революцию. Но сейчас ты удивишься – уникальное изобретение – не дело рук человека. Это природная особенность. Нанотрубки были рядом с нами всегда. Они появляются в естественной среде при неполном сгорании углерода. Таким образом, если ты окажешься на выжженном поле после лесного пожара, вокруг будут тысячи тонн нанотрубок. Также следы материала нашли в дамасской стали и в древней китайской туши.
Обширность сферы применения графеновых нанотрубок впечатляет. Если их сравнивать с обычными электропроводящими добавками, например многостенными углеродными нанотрубками, углеродные волокна и практически все виды технического углерода, TUBALL гарантирует весомое повышение качеств материалов при добавлении всего 0,01–0,1%.
Что такое графен и как он изменит нашу жизнь?
Впервые о графене заговорили в 2004 году, когда Андрей Гейм и Константин Новоселов — британские ученые российского происхождения — опубликовали статью в журнале Science [1]. В ней говорилось о новом материале, который получили с помощью обычного карандаша и скотча. Ученые просто снимали клейкой лентой слой за слоем, пока не дошли до самого тонкого — в один атом. В 2010-м за это их наградили Нобелевской премией. С тех прошло уже десять лет.
Что такое графен и чем он так уникален?
Углерод — это материал, состоящий из кристаллической решетки, которую образуют шестиугольники атомов. Графен — это один слой решетки толщиной в 1 атом.
Отсюда — его первое уникальное свойство: самый тонкий.
Такую структуру графен приобретает за счет sp2-гибридизации. Дело в том, что на внешней оболочке атома углерода расположены четыре электрона. При sp2-гибридизации три из них вступают в связь с соседними атомами, а четвертый находится в состоянии, которое образовывает энергетические зоны. В результате графен еще и прекрасно проводит электрический ток.
Уникальность графена в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводники. А еще у него высокая подвижность носителей заряда внутри материала. Поэтому графен в фото- и видеотехнике обнаруживает сигналы намного быстрее, чем другие материалы.
Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97% прозрачный. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.
Миф о токсичности графена
Однако сейчас в биоэлектронике используют другой способ получения графена — путем химического осаждения из газовой фазы. Частицы получаются достаточно крупными. Потом их закрепляют на подложке, и проникнуть сквозь клеточную мембрану они уже не могут.
Где уже используют графен?
Сейчас графен успешно применяют в электронике. Самый массовый продукт — это пауэрбанк [3]: производители обещают, что сам он заряжается за 20 минут, а топовый смартфон заряжает наполовину за полчаса.
Существуют также графеновые куртки и платья. Последние, в частности, оснащены светодиодами [4], которые реагируют на дыхание и температуру тела, меняя цвет.
Теннисные ракетки с графеном весят до 300 грамм меньше, чем обычные, при той же силе удара.
Наконец, машинное масло с графеном призвано снизить износ двигателя.
Где можно применять графен в будущем?
Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак [5]. Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.
Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.
Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.
Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.
Графеновый бум
За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.
В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах [6].
Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.
В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.
В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд [7]. В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.
В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.
Среди них — Samsung [8]: компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.
В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.
Почему же графен до сих пор не изменил нашу жизнь?
Во-первых, он все еще очень дорогой. При этом пока нельзя однозначно посчитать, сколько его нужно и для каких целей. Для этого материала нет единой шкалы измерения, так как он может иметь разную структуру — в зависимости от способа получения.
Во-вторых, массовое производство графена пока не налажено, потому что нет технологий, которые бы позволили бы это: например, сложные электронные устройства с графеном делают вручную. Для графена нужна какая-то подложка — например, кварцевая — которая и определяет свойства конечного продукта. При этом пока еще не совсем понятно, какие именно это должны быть свойства.