Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки представляют собой крошечные цилиндры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до10 нм и длиной примерно в 1мкм. Они являются новой кристаллической формой углерода, открытой в 1991 году сотрудниками научно-исследовательского отдела Национальной Электронной Компании (NEC, Япония). Углеродные нанотрубки похоже на свёрнутые в рулоны «листы», образованные из шестигранных структур или колец (типа пчелиных сот) из атомов углерода.

Ранее считалось, что углерод имеет лишь две кристаллические формы (алмаз и графит), однако в 1985 году была обнаружена и третья аллотропная форма углерода (так называемые фуллерены - группа специфических молекул, состоящих только из атомов углерода, которые образуют каркас из 12 пятиугольников и нескольких шестиугольников). Фуллерены представляют собой огромные молекулы углерода в виде замкнутых объёмных структур, напоминающих по форме футбольный шар. Собственно говоря, углеродные нанотрубки образованы из та­ких же кристаллических структур, но собранных в другую форму.

Аллотро́пия (от др.-греч. αλλος — «другой», τροπος — «поворот, свойство») — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам: так называемых аллотропических модификаций или аллотропических форм.

Аллотропия углерода

Углерод (лат. carboneuia) известен с глубокой древности. В земной коре его содержится примерно 0,35% по массе. В природе углерод встречается в свободном и связанном состоянии, главным образом в виде карбонатов (мел, известняк, мрамор), в каменных и бурых углях, торфе. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организмов человека и животных. Его соединения составляют основу живой природы - флоры и фауны.
Атом углерода имеет 6 электронов, 2 на внутреннем слое (1s2), а 4 (2s22р2) - на внешнем. С наиболее активными металлами углерод проявляет степень окисления -4. Углерод способен соединяться между собой с образованием прочных длинных цепей. В отличие от кислорода и азота углерод при обычных условиях не образует молекул, у него атомная кристаллическая решетка. Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол. Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз - самое твердое вещество, найденное в природе.
Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.
Карбин - получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин -C=C-C=C-C=C-.
Букибол - получен в 1985г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.
Углерод в виде кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Углеродные нанотрубки являются новым веществом или мате­риалом, чрезвычайно перспективным для различных технических применений в некоторых очень важных практических областях, из которых стоит сразу отметить полупроводниковую технику и акку­муляцию (поглощение и хранение) водорода. Особое значение для исследователей имеет возможность введения в углеродные нанот­рубки различных веществ, что сразу приводит к возмож­ности использования в электронной технике, за счёт преобразования и модификации полупроводниковых структур в нанометровом мас­штабе, т. е. повышения степени интеграции.

Очень важно, что углеродные нанотрубки способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поскольку аккумуляция водорода (точнее, создание материалов, способных удерживать водород) является одной из ключевых про­блем современной техники вообще (и автомобильной промышлен­ности, в частности). Поэтому промышленные круги сразу заинте­ресовались производством углеродных нанотрубок в коммерческих объёмах. С научной точки зрения большой интерес представляют проблемы регулирования процессов поглощения и выделения водорода, а также обеспечение безопасности его хранения в подобных аккумулирующих системах.

Углеродные нанотрубки представляются весьма перспективным и ценным веществом для создания разнообразных других водород-содсржащих устройств (от двигателя на водородном топливе до но­вых типов батарей), поэтому исследования в этой области ведутся весьма интенсивно, а некоторые из них уже близки к стадии про­мышленного внедрения.

Общераспространённые ранее электронно-лучевые трубки Брауна (с подогреваемым катодом) работают в бытовых телевизорах и других электронно-лучевых приборах под очень высоким напряжением (~ 10 кВ) и потребляют большое количество энергии. Использование углеродных нанотрубок, возможно, позво­лит перейти к так называемым низкотемпературным катодам, т. е. понизить прилагаемое напряжение примерно до 500 В, что имело бы огромное практическое и экономическое значение.