Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Science: электропроводящее волокно из углеродных нанотрубок

Ключевые слова:  арамидные волокна, волокно, периодика, углеродные нанотрубки

Опубликовал(а):  Поверенная Мария

16 января 2013

Ученые Университета Райса (Rice University) и компании Teijin Aramid (Нидерланды) при содействии исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) и Технического института Израиля создали новое волокно из углеродных нанотрубок (УНТ), которое с виду похоже на текстильные нити, однако, проводит электрический ток и тепло как металлическая проволока.

В соответствующей статье, опубликованной на прошлой неделе в Science, авторы приводят описание промышленно масштабируемого процесса производства нитевидного волокна, превосходящего все аналогичные высококачественные материалы, доступные на рынке.

«Наконец-то мы имеем нановолокно со свойствами, которых нет ни у одного другого существующего материала», – заявил руководитель научной группы Маттео Пасквали (Matteo Pasquali), профессор химии и биомолекулярной инженерии Университета Райса. «Оно выглядит как черные хлопковые нити, но ведет себя при этом как металлическая проволока и как прочные углеродные волокна».

Рис. 1. Лампа удерживается на месте с помощью двух тонких нитей из углеродного нановолокна. Волокно из УНТ проводит тепло и электричество также хорошо, как металлическая проволока, однако, является при этом более прочным и гибким.

«Теплопроводность волокна из УНТ приблизительно такая же, как у лучших графитовых волокон, однако, его электропроводность в 10 раз выше», – говорит соавтор Маркин Отто (Marcin Otto), директор по развитию бизнеса в компании Teijin Aramid. «Графитовые волокна очень хрупкие, в то время как волокна на основе УНТ очень гибки и упруги, как текстильные нити. Мы ожидаем, что комбинация таких свойств позволит получить новые продукты с уникальными характеристиками на рынках, связанных с аэрокосмической и автомобильной промышленностями, медициной и производством «умной одежды».

Удивительные свойства углеродных нанотрубок увлекали ученых с момента их открытия в 1991 году. Полые трубки из чистого углерода, которые в диаметре сравнимы со спиралями ДНК, почти в 100 раз прочнее стали при том, что они имеет в 6 раз меньшую плотность. Электро- и теплопроводность волокна на основе УНТ могут соперничать с лучшими металлическими проводниками. Они также могут служить как светочувствительные полупроводники, устройства для доставки лекарств и даже в качестве губок для сбора нефтепродуктов.

К сожалению, несмотря на то, что углеродные нанотрубки являются «prima donna» нанотехнологий, с ними очень непросто работать. Только для того чтобы создать методы синтеза нанотрубкок, дающие разумные для промышленных применений количества (при разумной цене), ученым и технологам потребовалось почти полтора десятилетия. Обнаружены десятки типов нанотрубок – каждый из которых имеет уникальные свойства, и исследователи до сих пор не нашли способ получения УНТ строго одного типа. Вместо этого практически все методы получения дают смесь из всех типов – сростки наподобие комков из волос.

Рис. 2. Аспирант Дмитрий Центалович готовит к использованию прибор по намотке УНТ-волокна // Источник: Университет Райса.

Создание крупных объектов из сростков УНТ является большой проблемой. Нитевидное волокно толщиной примерно ¼ толщины человеческого волоса будет состоять из десятков миллионов нанотрубок, упакованных бок о бок. В идеале, эти нанотрубки будут идеально ровные, как карандаши в коробке, и плотно упакованы.

Некоторые лаборатории исследовали прямые способы выращивания таких волокон, однако скорость их производства оказалась достаточно медленной по сравнению с «мокрым» способом формования, когда сростки нанотрубок диспергируют в жидкости и распыляют через фильеры для формирования нити.

Профессор Пасквали начал изучать «мокрые» способы формования УНТ еще под руководством Ричарда Смолли (Richard Smalley, Rice’s Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology). Эта работа позволила разработать «мокрый» способ формования УНТ-волокна, аналогичный промышленному методу получения высокопрочных арамидных волокон – как у компании Teijin’s Twaron – которые используются в пуленепробиваемых жилетах и других продуктах (основным коммерчески успешным продуктом на основе таких волокон является материал Кевлар компании DuPont). Однако, указанный выше способ необходимо было модифицировать: из-за образующихся перекосов миллионов нанотрубок в структуре волокна оно получалось очень непрочным и не проводило электрический ток.

Рис. 3. Микрофотография SEM волокна, состоящего из плотно упакованных углеродных нанотрубок (в сечении волокна видно лишь несколько пробелов внутри) // Источник: Университет Райса.

«Получение очень высокой плотности упаковки и выравнивание УНТ в волокне является критическими факторами», – говорит Йешаяху Талмон (Yeshayahu Talmon), директор Технического института Рассела Берри по нанотехнологиям (Technion’s Russell Berrie Nanotechnology Institute), который начал работать с группой Пасквали около 5 лет назад.

Следующий большой прорыв был в 2009 году, когда Талмон, Пасквали и их коллеги подобрали подходящий растворитель для УНТ – хлорсульфоновую кислоту. Впервые ученые имели возможность создать высококонцентрированные растворы нанотрубок – разработка, которая привела к возможности плотной упаковки и выравниванию УНТ в
структуре волокна.

«До этого времени никто не думал, что формование в хлорсульфоновой кислоте возможно, так как она реагирует с водой», – говорит Пасквали. «Это обнаружил аспирант в моей лаборатории, Натнаэль Бахабту (Natnael Bahabtu). Это было переломным моментом в нашем исследовании».

Позже было обнаружено, что прочность и проводимость получаемого волокна могут быть улучшены, если исходный материал (сростки нанотрубок) содержит длинные нанотрубки с несколькими атомными дефектами. В 2010 году Пасквали и Талмон начали эксперименты с нанотрубками от различных поставщиков и параллельно сотрудничали с учеными из лаборатории AFRL для измерения электро- и теплопроводности получаемых волокон.

В течение того же периода Отто занимался анализом методов получения УНТ-волокна, предлагаемых различными научно-исследовательскими центрами. Он предложил объединить разработки Пасквали и Талмона с ноу-хау компании Teijin’s Twaron по получению арамидного волокна. В 2010 году был запущен совместный проект Teijin Aramid с Университетом Райса.

Рис. 4. Маттео Пасквали (с катушкой волокна на основе УНТ) и его коллеги (слева направо): аспиранты Колин Янг (Colin Young) и Дмитри Центалович (Dmitri Tsentalovich), научный сотрудник Teijin Aramid Рон тер Ваарбик (Ron ter Waarbeek), аспирант Мохаммед Аднан (Mohammed Adnan) // Источник: Университет Райса.

«Научно-техническая поддержка со стороны Teijin привела к незамедлительному улучшению прочности и электропроводности нашего волокна», – говорит Пасквали.

Соавтор разработки Юникиро Коно (Junichiro Kono), профессор электронного и компьютерного моделирования Университета Райса, говорит: «Это исследование показало, что электропроводность волокна может быть настроена и оптимизирована под конкретное применение. Нами была получена самая высокая электропроводность среди всех когда-либо полученных углеродных волокон».

Удельная электропроводность УНТ-волокна, разработанного Пасквали и его коллегами, находится на одном уровне с медью, золотом и алюминием. Однако преимущество нового материала в прочности позволит применить его в тех приложениях, где использование металлических проволок будет невыгодно. В первую очередь это относится к электронике и авиации, где углеродные нити смогут заменить металлические провода, что существенно облегчит и удешевит конструкцию таких приборов. Кроме того, подобные нити могут стать основой для новых сверхпрочных материалов, обладающих высокой гибкостью и теплопроводностью.

«Металлические провода сломаются при обработке прокатчиком или любым другим видом станков в тех случаях, если они слишком тонкие. Из-за этого мы часто используем относительно толстые металлические провода в электронных приборах, несмотря на то, что в этом нет необходимости», — заключает Пасквали.

Работа выполнена при поддержке Teijin Aramid BV, Teijin Limited, AFRL, the Air Force Office of Scientific Research, Technion’s Russell Berrie Nanotechnology Institute, the Department of Defense и the Welch Foundation.

Автор: Джейд Бойд


В статье использованы материалы: Science, The Rice University


Средний балл: 10.0 (голосов 7)

 


Комментарии
Палии Наталия Алексеевна, 16 января 2013 18:24 
-
Павлов Степан Олегович, 18 января 2013 07:53 
Молодец Натнаэль Бахабту
Проводимость примерно в 15-20 раз хуже меди и соответственно примерно в 30 раз лучше графита.
Впечатляет
Палии Наталия Алексеевна, 18 января 2013 19:14 
Впечатляет и то, что работа, проводившаяся более 10 (!) лет, увенчалась успехом ("Rice University’s latest nanotechnology breakthrough was more than 10 years in the making")
Кузнецова Юлия Юрьевна, 21 января 2013 16:05 
Где будут применять?
nipp, 27 января 2013 11:04 
медленно, но верно. хотелось уже "шагнуть" в наше нанотехнологическое будущее как можно скорее
ннрн нрнрнр нрнрнр, 05 февраля 2013 00:06 

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Кремниевый одноэлектронный транзистор
Кремниевый одноэлектронный транзистор

Интервью с участниками, авторами задач и организаторами XIII Олимпиады
Предлагаем ознакомиться с подборкой видеороликов - миниинтервью, взятых в течение очного тура XIII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" (25 - 30 марта 2019 года).

Неделя Олега Лосева
Портал RSCI.RU и инициаторы проведения "Недель Олега Лосева" приглашают все вузы и факультеты физико-технологического и радиоэлектронного профиля к участию в первой Неделе Олега Лосева в Рунете, посвященной Олегу Владимировичу Лосеву - признанному пионеру полупроводниковой электроники и оптоэлектроники.

Магистратура Московского университета по химической технологии
Химический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова объявляет о приеме в магистратуру "Химическая технология" для подготовки специалистов в области полимерных композиционных материалов, углеродных материалов, защитных покрытий.

Интервью с Константином Козловым - абсолютным победителем XIII Наноолимпиады
Семенова Анна Александровна
Школьник 11 класса Константин Козлов (г. Москва) стал абсолютным победителем Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!" 2018/2019 по комплексу предметов "физика, химия, математика, биология". О своих впечатлениях, увлечениях и немного о планах на будущее Константин поделился с нами в интервью.

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.