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

Разработка комплекта электрических схем маршрутной релейной централизации блочного типа
Целью дипломного проектирование являлась разработка комплекта электрических схем маршрутной релейной централизации блочного типа (БМРЦ) для использования их студентами техникума в качест ...

Проектирование аппаратного обеспечения одноплатных микроконтроллеров
Задание: В заданной РЭС осуществить управляющую функцию по одному из заданных параметров с помощью контроллера, построенного на МПК, разработать электрическую принципиальную схему проект ...

Проектирование радиоприемного устройства с учетом научно-технического прогресса
Радиоприемное устройство является частью системы передачи сообщений, использующей для этого энергию радиоволн. Оно предназначено для улавливания, преобразования и использования электрома ...