Углеродные нанотрубки

Углеродная нанотрубка (УНТ) - это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки без швов.

Ответ уникальности свойств УНТ кроется в особенностях электронной и атомной структур этих соединений. Если в "классических" плоских ароматических структурах σ - и π-связи геометрически являются ортогональными, то в фуллеренах (фуллерен - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординатных атомов углерода) и нанотрубах, за счет ненулевой кривизны поверхностей - нет. Эта неортогональность и определяет практически все многообразие и отличие их свойств [20].

σ-

связь (сигма-связь) -

ковалентная связь, образующаяся перекрыванием электронных облаков "по осевой линии". Характеризуется осевой симметрией. Связь, образующаяся при перекрывании гибридных орбиталей вдоль линии, соединяющей ядра атома.

π-

связь (пи-связь) -

ковалентная связь, образующаяся перекрыванием p-атомных орбиталей. В отличие от сигма-связи, осуществляемой перекрыванием s-атомных орбиталей вдоль линии соединения атомов, пи-связи, возникают при перекрывании p-атомных орбиталей по обе стороны от линии соединения атомов. Считается, что пи-связь реализуется в кратных связях - двойная связь состоит из одной сигма - и одной пи-связи, тройная - из одной сигма - и двух ортогональных пи-связей [21].

УНТ обладают выдающимися механическими характеристиками. Нанотрубки в 50-100 раз прочнее стали при плотности в шесть раз меньшей. Нанотрубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не рвутся, не ломаются, а просто перестраиваются.

Вопросы устойчивости материала к сжатию были рассмотрены в исследовании, проведенном учеными Политехнического Института Ренслеера (Rensselaer Polytechnic Institute) [22]. В качестве исследуемого образца был выбран кусок матрицы соединенных вместе углеродных многослойных нанотрубок площадью 2 мм2. Ученые подвергли его сжатию на 25% от первоначальной высоты, после чего повторили эту операцию 500 раз.

В течение всего цикла были проведены измерения механических свойств нанотрубок. Как оказалось, механические свойства кусочка не изменились. Также остались неизменными и электропроводные свойства нанотрубок.

В итоге, учеными было установлено, что массив связанных нанотрубок имеет ярко выраженные высокоэластические свойства, в то время, как одна нанотрубка такими свойствами не обладает.

Эти свойства нанотрубок можно использовать для создания гибких материалов, обладающих высокой износоустойчивостью при создании эластичных радиопоглощающих материалов.

В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть как проводниками (если шов расположен вдоль нанотрубки) так и полупроводниками (если шов навит наискосок).

Рисунок 26 - Шов наискосок и вдоль нанотрубки, соответственно.

Ещё одним уникальным свойством нанотрубок является квантование электрического сопротивления.

Классическое сопротивление R

зависит от размеров и состава материала резистора и находится по формуле 13:

, (13)

где L - длина, S - площадь поперечного сечения, - удельное сопротивление материала резистора.

Сопротивление объектов квантового мира, таких как углеродные нанотрубки, не зависит ни от длины, ни от материала, из которого они сделаны, а определяются лишь двумя фундаментальными физическими константами (e и h) формулой 14 [23]:

, (14)

где e - заряд электрона (1,6*10-19 Кл), h - постоянная Планка (6,6*10-34 Дж*с). Таким образом, квант электрического сопротивления неизменен и является одинаковым для всех резисторов квантового мира.

Читайте также

Проектирование устройств фильтрации
Неотъемлемая часть телекоммуникационных задач связана с преобразованием сигналов. Одной из основных является фильтрация, т.е. выделение или подавление определенных частот сигнала. Устрой ...

Проектирование радиовещательного приемника
Теория и техника радиоприемника быстро совершенствуется. Это требует от специалистов постоянного изучения современной техники. Развитие радиоприемной аппаратуры характеризуется в осн ...

Назначение и виды ударно-контактных извещателей
Извещатели ударно-контактные формируют тревожное извещение при нормированном ударном воздействии на контролируемую поверхность охраняемого объекта. Они предназначены для обнаружения раз ...