Курсовая работа: Развитие нанотехнологий
Сегодня разработано много методов получения углеродных наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результате химических превращений углеродсодержащих материалов в условиях повышенных температур. Рассмотрим несколько наиболее популярных методов.
Электродуговое распыление графит.
Это самый распространенный метод, разработанный. Именно так японский ученый С. Иджима впервые получил нанотрубки в 1991 году. Суть метода такова: в камере, заполненной инертным газом, между графитовыми электродами горит электрический разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стенки камеры охлаждаются при помощи воды или жидкого азота.
Рис. 7. Схема установки дляполучения нанотрубок и фуллеренов
При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25-35 В температура образующейся между электродами плазмы достигает 4000 К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы[1] и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода.
Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, можно увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры - фуллерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на холодные стенки камеры, а часть, содержащая графит и нанотрубки, - на катод.
Лазерное испарение графита.
В этом методе испаряемый лазером графит конденсируется на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень расположена в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с температурой 1000°С. Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается буферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром сфокусированного пучка около 1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей области и осаждаются на поверхности охлаждаемого коллектора. В получаемом осадке помимо наночастиц графита обнаруживаются также фуллерены и нанотрубки.
Рис. 8. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок лазерным испарением графита
Достоинство данного метода - возможность получения нанотрубок с заданными структурными параметрами. Недостаток - невысокая производительность и трудность масштабирования.
Рис. 9. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок химическим осаждением из пара
Сегодня получение нанотрубок в количествах, достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема теперь состоит в снижении их себестоимости и получении в промышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше методы не позволяют достичь этого. С этой точки зрения интересен третий метод, разработанный российскими учеными под руководством М.М. Томишко.
Метод химического осаждения из пара.
Этот наиболее практичный и массовый способ получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности горячего металлического катализатора.
Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена или метана с азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000°С. В трубке находится керамический тигель[2] с катализатором - металлическим порошком. Разложение углеводорода, происходящее в результате химической реакции атомов газа с атомами металла, приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десятков микрон. Как видно из описания, при всех методах получения фуллеренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака - сажу, частицы аморфного графита, а в случае использования катализаторов - частицы металлов. Для повышения чистоты полученного продукта используют различные методы очистки - как механические (фильтрация, обработка ультразвуком), так и химические (промывание в химически активных веществах, нагревание).
Рис. 10. Так под микроскопом выглядят нанотрбки, полученные химическим осаждением из пара
Надо сказать, что метод получения наноструктур играет очень важную роль. Он влияет не только на свойства наноструктуры, но и на время ее жизни - период, в течение которого частица способна эти уникальные свойства проявлять. По истечении этого срока наночастицы либо окисляются, либо агрегируются в микрочастицы и приобретают свойства компактных веществ.
5. Прикладная нанотехнология
1. Наноэлектроника.
Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия интегральных схем. Технология приближается к фундаментальным пределам, определяемым самой природой. Ведущие производители схем уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, еще немного, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между проводящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь "простреливаться" в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта (о чем говорилось выше). Другие проблемы - отвод тепла, выделяемого элементами схем, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу или превышающий его.
В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.
Известно, что все многослойные нанотрубки - полупроводники. В официальном сообщении Международной ассоциации производителей полупроводниковговорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10-15 лет может начаться массовый переход с кремния на углеродные нанотрубки. Например, известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Компанияпредлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.
Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы - исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода, а также атомы меди и классические "магнитные элементы" - железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографической записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.
В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютеры с емкостью жесткого диска 1 Тб (1012 байт). На нем можно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц, около 16 суток видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).
2. Нанотехнологии в строительстве.
Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, - это строительство. Естественно, что основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона за счет их легирования нанопорошками.
Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Так, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки - так называемые наноинициаторы - значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин - в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в 6 раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2-3 раза.