لا تتيح أي من الطرق الشائعة للحصول على الأنابيب النانوية الكربونية عزلها في شكلها النقي. يمكن أن تكون الشوائب في NT عبارة عن الفوليرين، والكربون غير المتبلور، والجسيمات الجرافيتية، والجسيمات المحفزة.

يتم استخدام ثلاث مجموعات من طرق تنقية CNT:

1) مدمرة،

2) غير مدمرة،

3) مجتمعة.

مدمرةتستخدم الطرق التفاعلات الكيميائية التي يمكن أن تكون مؤكسدة أو مختزلة وتعتمد على الاختلافات في تفاعل أشكال الكربون المختلفة. للأكسدة، يتم استخدام محاليل العوامل المؤكسدة أو الكواشف الغازية، وللاختزال، يتم استخدام الهيدروجين. تسمح الطرق بعزل الأنابيب النانوية الكربونية عالية النقاء، ولكنها ترتبط بفقدان الأنبوب.

غير مدمرةتشمل الطرق الاستخلاص والتلبد والترسيب الانتقائي، والترشيح الدقيق للتدفق المتقاطع، وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم، والرحلان الكهربائي، والتفاعل الانتقائي مع البوليمرات العضوية. كقاعدة عامة، هذه الأساليب منخفضة الإنتاجية وغير فعالة.

في الوقت نفسه، ثبت أن تنقية الأنابيب النانوية الكربونية الأحفورية التي تم الحصول عليها بطريقة الليزر الحرارية عن طريق الترشيح باستخدام الصوتنة تجعل من الممكن الحصول على مادة ذات نقاء يزيد عن 90% مع إنتاجية تتراوح بين 30-70% (اعتمادًا على نقاء السخام الأولي).

يتم استخدام الاستخلاص حصريًا لإزالة الفوليرين، ويتم استخلاصه بكميات كبيرة باستخدام ثاني كبريتيد الكربون أو المذيبات العضوية الأخرى.

تتم إزالة الجزء الأكبر من المحفز وحامل المحفز عن طريق الغسيل في أحماض الكبريتيك والنيتريك، وكذلك مخاليطهما. إذا كان حامل المحفز عبارة عن هلام السيليكا أو الكوارتز أو الزيوليت، يتم استخدام حمض الهيدروفلوريك أو المحاليل القلوية. لإزالة أكسيد الألومنيوم، يتم استخدام المحاليل المركزة للقلويات. لا تتم إزالة المعادن المحفزة الموجودة في تجويف CNT أو المحاطة بقشرة من الجرافيت.

تتم إزالة الكربون غير المتبلور إما عن طريق الأكسدة أو الاختزال. وللاختزال، يستخدم الهيدروجين عند درجة حرارة لا تقل عن 700 درجة مئوية، وللأكسدة، يتم استخدام الهواء أو الأكسجين أو الأوزون أو ثاني أكسيد الكربون أو المحاليل المائية للعوامل المؤكسدة. تبدأ الأكسدة في الهواء عند 450 درجة مئوية. في هذه الحالة، يتم أكسدة جزء من CNT (بشكل أساسي القطر الأصغر) بالكامل، مما يساهم في فتح الأنابيب المتبقية وإزالة جزيئات المحفز التي لم تتم إزالتها أثناء عملية الأكسدة. المعالجة الحمضية الأولية. تتم إزالة الأخير عن طريق الغسيل الثانوي في الحمض. للحصول على أنقى منتج، يمكن تكرار عمليات تنقية الأحماض والغاز عدة مرات، مع دمجها مع بعضها البعض وبالطرق الفيزيائية.

في بعض الحالات، تتم تنقية الحمض الأولي على مرحلتين، باستخدام أول حمض مخفف (لإزالة الجزء الأكبر من المحفز والدعم) ثم حمض مركز (لإزالة الكربون غير المتبلور وتنظيف سطح CNT) مع عمليات الترشيح والغسيل المتوسطة. .

نظرًا لأن جزيئات أكسيد المعدن تحفز أكسدة الأنابيب النانوية الكربونية وتسبب انخفاضًا في إنتاج المنتج المنقى، يتم استخدام عملية تخميل إضافية عن طريق تحويلها إلى فلوريدات باستخدام SF 6 أو الكواشف الأخرى. في هذه الحالة، يزيد العائد من الأنابيب النانوية الكربونية النقية.

تم تطوير عدة طرق في جامعة رايس (الولايات المتحدة الأمريكية) لتنقية المواد المنتجة بالطرق القوسية والليزر الحرارية. تضمنت الطريقة "القديمة" عمليات الأكسدة باستخدام 5 M HNO 3 (24 ساعة، 96 درجة مئوية)، والتحييد باستخدام NaOH، والتشتت في محلول مائي 1% من Triton X-100، والترشيح بالتدفق العرضي. وتشمل عيوبه الترسيب المشترك لهيدروكسيدات النيكل والكوبالت مع الأنابيب النانوية الكربونية، والصعوبات في إزالة جزيئات الجرافيت وأملاح الصوديوم العضوية، والرغوة أثناء التجفيف الفراغي، وانخفاض كفاءة الترشيح، وأوقات المعالجة الطويلة، وانخفاض إنتاج الأنابيب النظيفة.

تتضمن الطريقة "الجديدة" الأكسدة باستخدام 5 M HNO 3 لمدة 6 ساعات، والطرد المركزي، والغسيل وتحييد الراسب باستخدام NaOH، وإعادة أكسدة HNO 3 مع الطرد المركزي المتكرر والتحييد، والغسل بالميثانول، والتشتت في التولوين والترشيح. لا تسمح هذه الطريقة أيضًا بتحقيق التنقية الكاملة، على الرغم من أن إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية (50-90%) يتفوق على الطريقة "القديمة".

إن استخدام المذيبات العضوية مباشرة بعد الغليان في الحمض يجعل من الممكن إزالة 18-20% من الشوائب، نصفها عبارة عن فوليرين، والنصف الآخر عبارة عن هيدروكربونات قابلة للذوبان.

تم أكسدة الأنابيب النانوية الكربونية النانوية التي تم الحصول عليها بطريقة القوس (محفز بنسبة 5% يتكون من Ni وCo وFeS بنسبة 1:1:1) لأول مرة في الهواء عند درجة حرارة 470 درجة مئوية لمدة 50 دقيقة في فرن مختبر دوار، ثم تمت إزالة الشوائب المعدنية عن طريق الغسل المتكرر بـ 6 مولار حمض الهيدروكلوريك، للحصول على تغير كامل في لون المحلول. وكان العائد من SWCNTs التي تحتوي على أقل من 1٪ بالوزن من المخلفات غير المتطايرة 25-30٪.

تم تطوير عملية لتنظيف الأنابيب البلاستيكية النانوية الكربونية القوسية، والتي تتضمن، بالإضافة إلى الأكسدة في الهواء والغليان في HNO 3، المعالجة بمحلول HCl ومعادلةه، والتشتت بالموجات فوق الصوتية في ثنائي ميثيل فورماميد أو ن-ميثيل-2-بيروليدون، يليه الطرد المركزي وتبخير المذيب والتليين الفراغي عند 1100 درجة مئوية.

يتم وصف تنقية الأنابيب الحرارية SWCNTs وMWCNTs على مرحلتين: بواسطة صوتنة طويلة المدى (12 ساعة) عند 60 درجة مئوية في محلول H2O2 لإزالة شوائب الكربون في المرحلة الأولى وصوتنة لمدة 6 ساعات في حمض الهيدروكلوريك لإزالة ني الشوائب في الثانية. بعد كل مرحلة، تم إجراء الطرد المركزي والترشيح.

لتنقية الأنابيب النانوية الكربونية النانوية التي تم الحصول عليها بواسطة طريقة HiPco والتي تحتوي على ما يصل إلى 30% بالوزن Fe، تم أيضًا وصف طريقة من مرحلتين، بما في ذلك الأكسدة في الهواء (على وجه الخصوص، في فرن الميكروويف) والغسيل اللاحق باستخدام حمض الهيدروكلوريك المركز.

تم استخدام عدد أكبر من المراحل (التشتت في الماء الساخن أثناء الصوتنة، التفاعل مع ماء البروم عند 90 درجة مئوية لمدة 3 ساعات، الأكسدة في الهواء عند 520 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة، المعالجة بـ 5 مولار حمض الهيدروكلوريك في درجة حرارة الغرفة) تم استخدامها للتنقية. MWCNTs، التي تم الحصول عليها عن طريق الانحلال الحراري لمحلول الفيروسين في البنزين وتحتوي على ما يصل إلى 32٪ بالوزن Fe. بعد الغسيل والتجفيف عند 150 درجة مئوية لمدة 12 ساعة، انخفض محتوى الحديد إلى عدة بالمائة، وكان العائد يصل إلى 50٪.

يمكن أن تؤدي الأكسدة بالغازات إلى تطوير مسامية NT و NV، ويمكن أن يؤدي الغليان المطول في حمض النيتريك إلى التحلل الكامل لهذه المواد.

باستخدام كمية كبيرة نسبيًا من السيليكون (طريقة الليزر الحراري)، يتم تسخين المنتج الأساسي في حمض الهيدروفلوريك المركز، ثم يضاف HNO 3 ويعالج عند درجة حرارة 35-40 درجة مئوية لمدة 45 دقيقة أخرى. تتضمن العمليات استخدام وسائط شديدة التآكل وإطلاق غازات سامة.

لإزالة الزيوليت المستخدم في إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية النانوية عن طريق الانحلال الحراري التحفيزي لبخار الإيثانول، تتم معالجة المنتج المؤكسد في الهواء بمحلول مائي من NaOH (6 N) مع صوتنة قصيرة المدى (5 دقائق)، ويتم جمع البقايا على يتم غسل المرشح باستخدام حمض الهيدروكلوريك (6 ن).

يمكن فصل الأنابيب النانوية الكربونية النانوية عن شوائب الأشكال الأخرى من جسيمات الكربون والمعادن عن طريق تشتيت الأنابيب بالموجات فوق الصوتية في محلول بولي ميثيل ميثاكريلات في أحادي كلورو البنزين، يليه الترشيح.

لتنقية SWCNTs، يوصى غالبًا باستخدام وظائفها. على وجه الخصوص، تم وصف طريقة تتضمن ثلاث عمليات متتابعة: التشغيل باستخدام أزوميثين ييليد في ثنائي ميثيل فورماميد (انظر القسم 4.5)، والترسيب البطيء للأنابيب النانوية الكربونية الباعثة للضوء (SWCNTs) الوظيفية عن طريق إضافة إيثر ثنائي إيثيل إلى محلول الأنابيب في الكلوروفورم، وإزالة المجموعات الوظيفية وتجديد الأنابيب النانوية الكربونية الأحفورية (SWCNTs). عن طريق التسخين عند 350 درجة مئوية والتليين عند 900 درجة مئوية. في المرحلة الأولى، تتم إزالة الجزيئات المعدنية، في الثانية - الكربون غير المتبلور. يتم تقليل محتوى الحديد في أنابيب HiPco التي يتم تنظيفها بهذه الطريقة إلى 0.4% بالوزن.

يمكن استخدام التفاعل مع الحمض النووي لفصل الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية (SWCNTs) عن تلك شبه الموصلة. تحتوي المختبرات على مجموعة واسعة من الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل، ومن خلال اختياره يمكن تحقيق التغليف الانتقائي والفصل اللاحق للخليط الأولي إلى كسور بواسطة الطريقة الكروماتوغرافية.

تشمل الطرق الفيزيائية نقل الخليط الأولي إلى محلول مائي باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية طويلة الأمد في وجود المواد الخافضة للتوتر السطحي أو البوليمرات القابلة للذوبان المغلفة، والترشيح الدقيق، والطرد المركزي، والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء، وكروماتوغرافيا تغلغل الهلام. تم استخدام تطعيم Zwitterion للحصول على التشتت المناسب للكروماتوغرافيا (انظر القسم 4.5).

من المتوقع أن يؤدي تطوير الطرق الكروماتوغرافية إلى جعل من الممكن فصل الأنابيب النانوية الكربونية ليس فقط من حيث الطول والقطر، ولكن أيضًا من خلال عدم التناظر، وفصل الأنابيب ذات الخصائص المعدنية عن الأنابيب ذات الموصلية من نوع أشباه الموصلات. لفصل الأنابيب النانوية الكربونية ذات الخصائص الإلكترونية المختلفة، تم اختبار الترسيب الانتقائي للأنابيب المعدنية في محلول أوكتاديسيلامين في رباعي هيدروفيوران (يتم امتصاص الأمين بقوة أكبر على أنابيب أشباه الموصلات ويتركها في المحلول).

مثال على استخدام الأساليب غير المدمرة لتنقية وفصل الأنابيب النانوية الكربونية حسب الحجم هو أيضًا طريقة طورها علماء من سويسرا والولايات المتحدة الأمريكية. تم نقل المادة الأولية التي تم الحصول عليها بطريقة القوس إلى محلول غرواني مائي باستخدام كبريتات دوديسيل الصوديوم (كان تركيز الفاعل بالسطح أعلى قليلاً من تركيز المذيلة الحرجة). مع زيادة تركيز الفاعل بالسطح، تم الحصول على مجاميع CNT، والتي تم ترشيحها باستخدام صوتنة مكثفة من خلال أغشية المسار بمسام تبلغ 0.4 ميكرومتر. بعد إعادة التشتت في الماء، تم تكرار العملية عدة مرات لتحقيق الدرجة المطلوبة من تنقية الأنابيب النانوية الكربونية.

تعتبر طريقة الرحلان الكهربي الشعري منخفضة الإنتاجية، على الرغم من أنها لا تسمح فقط بتنقية الأنابيب النانوية الكربونية، ولكن أيضًا بفصلها حسب الطول أو القطر. عند الانفصال، يتم استخدام المشتتات المستقرة بواسطة المواد الخافضة للتوتر السطحي أو البوليمرات القابلة للذوبان. لتنقية وفصل الأنابيب النانوية الكربونية عن طريق الرحلان الكهربائي، انظر القسم. 4.13.

تم تطوير طريقة غير مدمرة لفصل الأنابيب النانوية الكربونية النقية والمختصرة إلى أجزاء باستخدام أنابيب ذات أحجام مختلفة في تدفقات سائلة متقاطعة (غير متماثلة).

لتكبير جزيئات المعدن المحفز، يتم إجراء التلدين في الهيدروجين عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية، وبعد ذلك يتم إذابة المعادن في الحمض. يمكن إجراء الإزالة الكاملة لمعادن المحفز وحاملات المحفز، بغض النظر عن الشكل الذي توجد به في الخليط، عن طريق التلدين الفراغي بدرجة حرارة عالية (1500-1800 درجة مئوية). في هذه الحالة، تتم إزالة الفوليرين أيضًا، ويزداد قطر الأنابيب النانوية الكربونية وتصبح أقل عيبًا. لتصلب العيوب تمامًا، يلزم درجات حرارة أعلى من 2500 درجة مئوية، ويتم استخدام التلدين بالفراغ عند درجة حرارة 2000 درجة مئوية لزيادة مقاومة MWCNTs للمعالجة الحمضية.

لإزالة الشوائب من ألياف الكربون التي تكونت أثناء الانحلال الحراري للهيدروكربونات، يوصى بالتجميد بالنيتروجين السائل.

يعتمد اختيار خيار التنقية أو ذاك على تركيبة الخليط الذي يتم تنقيته، وبنية وشكل NT، وكمية الشوائب ومتطلبات المنتج النهائي. تحتوي الأنابيب النانوية الكربونية الحرارية وخاصة ألياف الكربون غير المتبلورة على كمية أقل من الكربون غير المتبلور أو لا تحتوي عليه على الإطلاق.

عند تقييم نقاء الأنابيب النانوية الكربونية، تتمثل الصعوبة الأكبر في تحديد محتوى شوائب الكربون غير المتبلورة. يعطي تحليل رامان الطيفي (انظر الفصل 8) صورة نوعية فقط. هناك طريقة أكثر موثوقية ولكنها تتطلب عمالة مكثفة وهي التحليل الطيفي في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (Itkis، 2003).

في الولايات المتحدة الأمريكية، تم إنشاء معيار لنقاء الأنابيب النانوية الكربونية الأحفورية.

ويتعلق الاختراع بمجال تنقية المياه السطحية والجوفية بالامتصاص والتي تحتوي على نسبة عالية من التيتانيوم ومركباته ويمكن استخدامها في تنقية المياه لإنتاج مياه شرب آمنة للصحة. تتضمن إحدى طرق تنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته جعل المياه الملوثة تتلامس مع مادة ماصة، حيث يتم استخدام أنابيب الكربون النانوية كمادة ماصة، والتي يتم وضعها في حمام بالموجات فوق الصوتية وتعمل على أنابيب الكربون النانوية والمياه التي يتم تنقيتها في وضع 1-15 دقيقة، مع تردد الموجات فوق الصوتية 42 كيلو هرتز وقوة 50 واط. تتمثل النتيجة التقنية في تنقية المياه بنسبة 100% من التيتانيوم ومركباته بسبب خصائص الامتصاص العالية جدًا لأنابيب الكربون النانوية. 4 مريض، 2 طاولات، 4 سابقين.

رسومات لبراءة الاختراع RF 2575029

ويتعلق الاختراع بمجال التنقية الامتصاصية للمياه السطحية والجوفية ذات المحتوى العالي من التيتانيوم ومركباته ويمكن استخدامها في تنقية المياه من التيتانيوم ومركباته للحصول على مياه شرب آمنة للصحة.

هناك طريقة معروفة لتنقية المياه من أيونات المعادن الثقيلة، يتم بموجبها استخدام مادة ممتزة طبيعية منشطة مكلسة كمادة ماصة، وهي عبارة عن صخرة سيليسية ذات تركيبة معدنية مختلطة من رواسب في تتارستان، تحتوي على نسبة مئوية من الوزن: أوبالكريستوبوليت 51-70 ، الزيوليت 9-25، مكون الطين - مونت موريلونيت، هيدروميكا 7-15، الكالسيت 10-25، إلخ. [براءة الاختراع RF رقم 2150997، IPC B01G 20/16، B01G 20/26، النشر. 20/06/2000]. وعيب هذه الطريقة المعروفة هو استخدام حمض الهيدروكلوريك لتنشيط المادة، الأمر الذي يتطلب معدات مقاومة للبيئات العدوانية. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الطريقة صخرة نادرة إلى حد ما ذات تركيبة معدنية معقدة ولا توجد بيانات عن محتوى التيتانيوم ومركباته.

هناك طريقة معروفة لإنتاج مادة ماصة حبيبية تعتمد على الشونجايت [Auth.St. اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية رقم 822881، IPC B01G 20/16، النشر. 23/04/1981].

عيب هذه الطريقة هو استخدام معدن الشونجايت الأقل شيوعًا، والذي تم تعديله مسبقًا بنترات الأمونيوم، والتكليس في درجات حرارة عالية، الأمر الذي يتطلب معدات مناسبة واستهلاك الطاقة، فضلاً عن المعالجة في بيئات عدوانية. لا توجد بيانات حول فعالية تنقية المياه من التيتانيوم.

هناك طريقة معروفة، تعتبر تناظرية، للحصول على مواد ماصة معدنية عضوية تعتمد على الألومينوسيليكات الطبيعية، وهي الزيوليت، عن طريق تعديل الألومينوسيليكات المعالجة بالحرارة مسبقًا مع السكريات، ولا سيما الشيتوزان [براءة الاختراع RF رقم 2184607، IPC C02F 1/56، B01J 20/32، B01J 20/26، B01J 20/12، نشر. 10/07/2002]. تتيح هذه الطريقة الحصول على مواد ماصة مناسبة للتنقية الفعالة للمحاليل المائية من أيونات المعادن والأصباغ العضوية ذات الطبيعة المختلفة.

تتمثل عيوب المواد الماصة التي تم الحصول عليها بالطريقة الموصوفة في درجة تشتتها العالية، والتي لا تسمح بتنقية المياه بالتيار من خلال الطبقة الماصة (يصبح المرشح مسدودًا بسرعة)، فضلاً عن إمكانية غسل طبقة الشيتوزان من المادة الماصة. مع مرور الوقت بسبب عدم التثبيت على الأساس المعدني وعدم وجود بيانات عن التنقية الفعالة من مركبات المعادن الثقيلة، مثل التيتانيوم ومركباته.

تم وصف طريقة لتنقية المياه الصناعية والتخلص منها من هياكل المرشحات لمحطات معالجة المياه [براءة الاختراع RU رقم 2372297، IPC C02F 1/5، C02F 103/04، publ. 11/10/2009].

يكمن جوهر الاختراع في استخدام مادة تخثر معقدة، وهي عبارة عن خليط من المحاليل المائية للكبريتات وأوكسي كلوريد الألومنيوم بنسبة جرعة 2:1 لأكسيد الألومنيوم.

توفر براءة الاختراع هذه أمثلة على تنقية المياه الجوفية لتوفير مياه الشرب.

عيب الطريقة الموصوفة هو ضعف كفاءة التنقية من الشوائب، حيث طفت 46% من الرواسب والباقي معلق.

هناك طريقة معروفة لتنقية المياه عن طريق المعالجة في خط أنابيب الإمداد باستخدام مادة ندفة كاتيونية [براءة الاختراع RF رقم 2125540، IPC C02F 1/00، Publ. 27/01/1999].

يتعلق الاختراع بطرق تنقية المياه من المصارف السطحية ويمكن استخدامها في مجال إمدادات المياه المنزلية والشرب أو المياه التقنية.

جوهر الاختراع: بالإضافة إلى الندف، يتم إدخال مادة التخثر المعدنية في خط الأنابيب بنسبة كتلة إلى الندف من 40:1 إلى 1:1.

تضمن هذه الطريقة زيادة كفاءة تجميع المواد العالقة، مما يجعل من الممكن تقليل تعكر المياه المستقرة بمقدار 2-3 مرات. بعد استخدام هذه الطريقة، من الضروري إجراء المزيد من الترسيب الكامل في خزانات الترسيب. وبالتالي، وفقًا للطريقة الموصوفة، لم يتم تحقيق إزالة المعادن بنسبة 100٪، وانخفضت صلابة الماء من 5.7 ملغم مكافئ / لتر إلى 3 ملغم مكافئ / لتر، وانخفضت العكارة إلى 8.0 ملغم / لتر.

عيب التناظرية هو ضعف كفاءة إزالة المعادن والشوائب العضوية، ولا توجد بيانات عن محتوى التيتانيوم.

توصف كفاءة الامتصاص لأنابيب الكربون النانوية (CNTs) بأنها أساس تقنية مبتكرة لتنقية مخاليط الماء والإيثانول [Zaporotskova N.P. وغيرها، نشرة VolSU، السلسلة 10، العدد. 5، 2011، 106 ص.].

أجرى العمل دراسات ميكانيكا الكم لعمليات امتزاز جزيئات الكحول الثقيلة على السطح الخارجي لأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.

عيب نشاط الامتصاص الموصوف للأنابيب النانوية الكربونية هو أنه يتم إجراء حسابات ميكانيكا الكم النظرية فقط، في حين أجريت دراسات تجريبية على الكحول. لا توجد أمثلة لتنظيف المعادن.

تم إثبات التأثير الإيجابي لأنابيب الكربون النانوية على عملية تنقية مخاليط الماء والإيثانول.

حاليًا، هناك آمال خاصة في تطوير العديد من مجالات العلوم والتكنولوجيا المرتبطة بأنابيب الكربون النانوية (CNTs) [Harris P. Carbon nanotubes والهياكل ذات الصلة. مواد جديدة من القرن الحادي والعشرين. - م: تكنوسفير، 2003. - 336 ص.].

ترتبط الميزة الرائعة للأنابيب النانوية الكربونية بخصائص الامتصاص الفريدة الخاصة بها [Eletsky A.V. خصائص الامتصاص للهياكل النانوية الكربونية. - التقدم في العلوم الفيزيائية. - 2004.-ت. 174، رقم 11. - ص 1191 - 1231].

تم وصف مرشح يعتمد على أنابيب الكربون النانوية لتنقية السوائل المحتوية على الكحول [Polikarpova N.P. وغيرها، نشرة VolSU، السلسلة 10، العدد. 6، 2012، 75 ص.]. تم إجراء تجارب على تنقية السوائل المحتوية على الكحول باستخدام طرق الترشيح والنقل، وتم تحديد الجزء الكتلي من الأنابيب النانوية الكربونية الذي يؤدي إلى أفضل نتيجة.

أثبتت الدراسات التجريبية التي أجريت أن معالجة خليط الماء والإيثانول باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية يساعد على تقليل محتوى زيوت الوقود والمواد الأخرى. عيب هذا التناظرية هو عدم وجود بيانات عن تنقية المياه من المعادن.

درس العمل امتصاص/امتزاز الزنك (II) في دورات متتالية بواسطة الكربون المنشط والأنابيب النانوية الكربونية. انخفض امتصاص الزنك (II) بواسطة الكربون المنشط بشكل حاد بعد عدة دورات، وهو ما يعزى إلى انخفاض إزالة أيونات المعادن من السطح الداخلي لمسام الكربون المنشط.

تسبب الطبيعة الكارهة للماء للأنابيب النانوية الكربونية تفاعلها الضعيف مع جزيئات الماء، مما يخلق الظروف الملائمة لتدفقها الحر.

نوي أ.، بارك إن.جي.، فورناسيرو إف.، هولت جي.ك.، جريجوروبولوس إس.بي. وباكاجين أو. الموائع النانوية في أنابيب الكربون النانوية // نانو اليوم. 2007، المجلد. 2، لا. 6، ص. 22-29.

تعتمد قدرة الامتزاز للأنابيب النانوية الكربونية على وجود مجموعات وظيفية على سطح المادة المازة وخصائص المادة الممتزة.

على سبيل المثال، وجود مجموعات الكربوكسيل واللاكتون والفينول يزيد من قدرة الامتزاز للمواد القطبية.

تتميز الأنابيب النانوية الكربونية، التي لا تحتوي على مجموعات وظيفية على سطحها، بقدرة امتصاص عالية للملوثات غير القطبية.

تتمثل إحدى طرق إنشاء الغشاء في تنمية الأنابيب النانوية الكربونية على سطح السيليكون باستخدام بخار يحتوي على الكربون باستخدام النيكل كمحفز.

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن هياكل جزيئية تشبه القش المصنوعة من صفائح من الكربون يبلغ سمكها جزءًا من نانومتر، وسمكها 10 - 9 أمتار، وهي في الأساس طبقة ذرية من الجرافيت العادي ملفوفة في أنبوب - وهي واحدة من أكثر المواد الواعدة في مجال تكنولوجيا النانو. يمكن أن يكون لـ CNTs أيضًا بنية موسعة [موقع WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].

تكنولوجيا الغشاء، والتي تستخدم على نطاق واسع للحصول على مياه الشرب لسكان كوكبنا.

هناك عيبان مهمان - استهلاك الطاقة وتلوث الأغشية، والذي لا يمكن إزالته إلا بالطرق الكيميائية.

يمكن إنشاء أغشية منتجة ومضادة للحشف على أساس أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين [M. ماجومدر وآخرون. الطبيعة 438، 44 (2005)].

الأقرب إلى الاختراع المطالب به من حيث الجوهر التقني والنتيجة المحققة هي طريقة لإنتاج المواد الماصة لتنقية المياه [RF Patent 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, publ. 01.12.2004]. يتم أخذ براءة الاختراع هذه كنموذج أولي. تتعلق هذه الطريقة بمجال تنقية المياه الامتصاصية، وتحديداً بإنتاج المواد الماصة وطرق التنقية، ويمكن استخدامها لتنقية مياه الشرب أو المياه الصناعية التي تحتوي على نسبة عالية من أيونات المعادن الثقيلة والمواد العضوية القطبية. تتضمن الطريقة معالجة الألومينوسيليكات الطبيعية بمحلول الشيتوزان في حمض الأسيتيك المخفف بنسبة ألومينوسيليكات إلى محلول الشيتوزان تساوي 1:1، عند درجة حموضة 8-9.

في الجدول يوضح الشكل 1 وصفًا مقارنًا للمواد الماصة التي تم الحصول عليها وفقًا للاختراع، والتي تم أخذها كنموذج أولي [براءة الاختراع رقم 2277013]. وترد أمثلة على الامتصاص فيما يتعلق بالأصباغ وعلى امتصاص النحاس والحديد وأيونات المعادن الأخرى من المحاليل.

عيب النموذج الأولي هو انخفاض قدرة الامتزاز للمعادن الثقيلة (SOE) ملغم / لتر للنحاس Cu +2 (من 3.4 إلى 5.85)؛ ولا توجد بيانات عن امتصاص التيتانيوم ومركباته. COE، mg/l لـ Fe +3 يتراوح من 3.4 إلى 6.9.

الهدف من الاختراع هو تطوير طريقة لتنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته باستخدام أنابيب الكربون النانوية والتعرض للموجات فوق الصوتية، والتي ستنتج مياه شرب نظيفة وعالية الجودة وتزيد من كفاءة تنقية المياه السطحية والجوفية بسبب خصائص الامتزاز العالية للأنابيب النانوية الكربونية.

تم حل المشكلة من خلال الطريقة المقترحة لتنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية، وذلك باستخدام الموجات فوق الصوتية بقوة 50 واط بتردد فوق صوتي 42 كيلو هرتز لمدة 1-15 دقيقة.

يتم تنفيذ الطريقة على النحو التالي. الممتز عبارة عن أنبوب نانوي كربوني أحادي الجدار لديه القدرة على التفاعل بنشاط مع ذرات التيتانيوم وكاتيوناتها (Ti، Ti +2، Ti +4).

يتم إضافة جرام واحد من الأنابيب النانوية الكربونية ذات نقاء 98% إلى 99 جرام من الماء لإزالة Ti وTi +2 وTi +4، ثم يتم وضع المحتويات بالكامل في حمام بالموجات فوق الصوتية UKH-3560 وتعريضها للموجات فوق الصوتية لمدة 1-15 دقيقة. بقوة 50 واط وبتردد فوق صوتي 42 كيلو هرتز.

بعد الترشيح، يتم فحص عينات المياه المأخوذة للتحليل. يستخدم تحليل الانبعاثات الذرية لتحديد محتوى التيتانيوم ومركباته في عينات المياه قبل معالجة الأنابيب النانوية الكربونية وبعد معالجة عينات المياه باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية في حمام الموجات فوق الصوتية.

تم تأكيد "الطريقة المقترحة لتنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته باستخدام أنابيب الكربون النانوية والموجات فوق الصوتية" من خلال الأمثلة التي سيتم وصفها أدناه.

إن تنفيذ الطريقة وفقًا للشروط المحددة يجعل من الممكن الحصول على مياه نقية تمامًا مع محتوى صفر من التيتانيوم ومركباته (Ti، Ti +2، Ti +4).

يتم تحقيق النتيجة التقنية من خلال حقيقة أن CNT يعمل بمثابة أنبوب شعري، يمتص ذرات Ti وكاتيونات التيتانيوم Ti +2 وTi +4، والتي يمكن مقارنة أبعادها بالقطر الداخلي للـ CNT. يتراوح قطر الأنابيب النانوية الكربونية من 4.8 Å إلى 19.6 Å حسب شروط الحصول على الأنابيب النانوية الكربونية.

لقد ثبت تجريبيًا أن تجاويف الأنابيب النانوية الكربونية مملوءة بنشاط بعناصر كيميائية مختلفة.

من السمات المهمة التي تميز الأنابيب النانوية الكربونية عن غيرها من المواد المعروفة هو وجود تجويف داخلي في الأنبوب النانوي. تخترق ذرة Ti وكاتيوناتها Ti +2 و Ti +4 إلى CNT تحت تأثير الضغط الخارجي أو نتيجة للتأثير الشعري ويتم الاحتفاظ بها هناك بسبب قوى الامتصاص [Dyachkov P.N. أنابيب الكربون النانوية: البنية، الخصائص، التطبيق. - م: بينوم. مختبر المعرفة، 2006. - 293 ص.].

وهذا يتيح الامتزاز الانتقائي بواسطة الأنابيب النانوية. بالإضافة إلى ذلك، يسمح السطح المنحني للغاية للأنابيب النانوية الكربونية بامتصاص الذرات والجزيئات المعقدة على سطحها، ولا سيما Ti، Ti +2، Ti +4.

علاوة على ذلك، فإن كفاءة الأنابيب النانوية أكبر بعشرات المرات من نشاط الممتزات الجرافيتية، والتي تعد اليوم أكثر عوامل التنظيف شيوعًا. يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أن تمتص الشوائب الموجودة على السطح الخارجي وعلى السطح الداخلي، مما يسمح بالامتصاص الانتقائي.

ولذلك، يمكن استخدام الأنابيب النانوية الكربونية للتنقية النهائية للسوائل المختلفة من الشوائب ذات التركيز المنخفض للغاية.

تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بمساحة سطحية جذابة عالية النوعية من مادة CNT، تصل إلى قيم 600 م2/جم أو أكثر.

مثل هذه المساحة السطحية العالية المحددة، أعلى بعدة مرات من المساحة السطحية المحددة لأفضل المواد الماصة الحديثة، تفتح إمكانية استخدامها لتنقية المياه السطحية والجوفية من المعادن الثقيلة، ولا سيما Ti، Ti +2، Ti +4 .

توليف الأنابيب النانوية الكربونية. وباستخدام منشأة تصنيع أنابيب الكربون النانوية CVDomna، تم الحصول على مادة CNT الكربونية النانوية، والتي تم استخدامها لتنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته.

تم إجراء دراسات تجريبية لتنقية المياه من التيتانيوم ومركباته.

لتحديد الكمية المثلى من الأنابيب النانوية الكربونية، من الضروري الوصول بمحتوى التيتانيوم ومركباته إلى كميات منخفضة للغاية. تم العثور على هذا التركيز من الأنابيب النانوية الكربونية وفي التجارب اللاحقة تم استخدام التركيز الأمثل بمبلغ 0.01 جم لكل 1 لتر من الماء الذي تم تحليله.

أظهر تحليل الانبعاث الذري وجود Ti + وكاتيوناتها (Ti +2, Ti +4) في عينات المياه قيد الدراسة، ومن هنا يمكننا أن نستنتج أن التيتانيوم وكاتيونات Ti +2, Ti +4 هي التي تتفاعل مع أنابيب الكربون النانوية. نصف قطر ذرة Ti هو 147 م، أي. يمكن لكاتيونات التيتانيوم إما أن تدخل في تجويف أنبوب الكربون النانوي ويتم امتصاصها بالداخل (الشكل 1) أو تمتز على سطحه الخارجي، وتشكل أيضًا بنية جسرية مع ذرات الكربون في الأشكال السداسية (الشكل 2)، وتشكل هياكل جزيئية متصلة. .

يمكن إدخال Ti وكاتيوناته في تجويف CNT من خلال نهج Ti خطوة بخطوة للأنبوب النانوي على طول محوره الطولي الرئيسي واختراق ذرات التيتانيوم وكاتيوناته في تجويف الأنبوب النانوي مع امتصاصها الإضافي على الجزء الداخلي. سطح CNT. يُعرف أيضًا نوع آخر من امتصاص Ti، والذي بموجبه يمكن لذرة تيتانيوم واحدة إنشاء روابط Ti-C مستقرة مع ذرات الكربون الموجودة على السطح الخارجي لأنبوب الكربون النانوي في حالتين بسيطتين، عندما يكون Ti في 1/4 و1/2 من الكل السداسيات (الشكل 3) .

وهذا يعني أن امتصاص التيتانيوم وكاتيوناته على سطح الأنابيب النانوية الكربونية ليس حقيقة مثبتة نظريًا فحسب، بل تم إثباته أيضًا تجريبيًا في البحث.

المادة الماصة المبتكرة عبارة عن تكتل من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار التي لديها القدرة على التفاعل بنشاط مع التيتانيوم وكاتيوناته، وتشكيل روابط مستقرة، وإمكانية امتزاز ذرات التيتانيوم ومركباته على الأسطح الداخلية والخارجية للأنابيب النانوية الكربونية مع تشكيل هياكل تجسير مع رابطتين Ti-C، إذا كانت Ti +2 أو أربعة لـ Ti +4. عند تنقية المياه الملوثة بالتيتانيوم ومركباته، يتم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية؛ ويتم امتصاص التيتانيوم على أسطح الأنابيب النانوية الكربونية بسبب قوى فان دير فال، أي أن التيتانيوم ومركباته من الذرة الحرة والكاتيونات Ti +2 وTi +4 تصبح مرتبطة في اتصال جزيئي (الشكل 4).

يتم توضيح إمكانية تنفيذ الاختراع من خلال الأمثلة التالية.

مثال 1. تم أخذ المياه الجوفية من البئر 1) بعمق 40 مترًا لاختبار محتوى التركيب العنصري النوعي، بالإضافة إلى التحليل الكمي لمحتوى التيتانيوم ومركباته قبل التنقية باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية وبعد امتصاص الأنابيب النانوية الكربونية والمعالجة بالموجات فوق الصوتية . وقت التعرض بالموجات فوق الصوتية 15 دقيقة. محتوى Ti ومركباته بعد التنقية هو 0% (الجدول 2).

مثال 2. المياه الجوفية من البئر 2) بعمق 41 م، على عكس البئر 1)، تقع هذه المياه على مسافة 200 م من البئر 1) من خزان بيريسلافسكي (فولغوغراد). وقت التعرض بالموجات فوق الصوتية 15 دقيقة. يكون محتوى Ti ومركباته بعد التنقية 0% وفقًا للاختراع (جدول 2).

مثال 3. تمت تنقية المياه المأخوذة من صنبور مياه (منطقة سوفيتسكي، فولجوجراد) باستخدام الأنابيب النانوية الكربونية والتعرض للموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة، بقوة 50 وات وتردد تشغيل بالموجات فوق الصوتية قدره 42 كيلو هرتز (الجدول 2).

المثال 4. كل شيء هو نفسه كما في المثال 1، ولكن وقت التعرض للموجات فوق الصوتية هو دقيقة واحدة.

مثال 5. تم أخذ المياه الجوفية من البئر 1) بعمق 40 مترًا لتحليل محتوى التيتانيوم ومركباته، ثم تمت تنقيتها وفقًا للنموذج الأولي [براءة الاختراع RU 2277013].

وقت التعرض للموجات فوق الصوتية 15 دقيقة (التجربة 1، 2، 3، 5). وقت التعرض للموجات فوق الصوتية 1 دقيقة (التجربة 4).

تشمل مزايا الطريقة المزعومة المعتمدة على الأنابيب النانوية الكربونية درجة عالية جدًا من امتصاص التيتانيوم ومركباته. ووفقاً لنتائج التجربة، تم ضمان تنقية مياه الاختبار بنسبة 100% من التيتانيوم ومركباته في ظل الظروف المثالية.

مطالبة

طريقة لتنقية المياه السطحية والجوفية من التيتانيوم ومركباته باستخدام أنابيب الكربون النانوية (CNTs) والموجات فوق الصوتية، بما في ذلك جعل المياه الملوثة تتلامس مع الممتزات لالتقاط المعادن الثقيلة، وتتميز بأن أنابيب الكربون النانوية تستخدم كمادة ماصة، والتي يتم وضعها في حمام بالموجات فوق الصوتية، يؤثر على الأنابيب النانوية الكربونية والمياه النقية في وضع 1-15 دقيقة، مع تردد الموجات فوق الصوتية 42 كيلو هرتز وقوة 50 واط.

إرسال عملك الجيد في قاعدة المعرفة أمر بسيط. استخدم النموذج أدناه

سيكون الطلاب وطلاب الدراسات العليا والعلماء الشباب الذين يستخدمون قاعدة المعرفة في دراساتهم وعملهم ممتنين جدًا لك.

تم النشر على http://www.allbest.ru/

مقدمة

تكنولوجيا النانو - علم تصنيع وخصائص العناصر التقنية على المستوى الذري والجزيئي - أصبحت الآن على شفاه الجميع. إن الأجهزة النانوية والآلات النانوية المصنوعة من هذه العناصر تنتقل بالفعل من عالم الخيال إلى الحياة الحديثة. وجزء من هذا العلم هو فرع أبحاث الأنابيب النانوية والفوليرين سريع النمو، والذي اجتذب مئات المجموعات البحثية من الفيزيائيين والكيميائيين وعلماء المواد.

تعد مشكلة إنشاء هياكل نانوية ذات خصائص محددة وأحجام متحكم فيها إحدى أهم مشاكل القرن الحادي والعشرين. سيحدث حلها ثورة في الإلكترونيات وعلوم المواد والميكانيكا والكيمياء والطب والبيولوجيا.

أنابيب الكربون النانوية (CNTs) هي أنظمة جزيئية كبيرة فريدة من نوعها. يشير قطرها النانومتري الصغير جدًا وطولها الكبير بالميكرون إلى أنها الأقرب في البنية إلى الأنظمة المثالية أحادية البعد (ID). ولذلك، تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية كائنات مثالية لاختبار نظرية الظواهر الكمومية، وعلى وجه الخصوص، النقل الكمي في أنظمة الحالة الصلبة منخفضة الأبعاد. وهي مستقرة كيميائيًا وحراريًا حتى 2000 كلفن على الأقل، ولها موصلية حرارية ممتازة، وقوة فريدة وخصائص ميكانيكية.

إن بساطة بنية الأنابيب النانوية تسمح بتطوير نماذج نظرية للهياكل المصنوعة منها. لذلك، هناك تطبيقات جديدة غير متوقعة تنتظر الأنابيب النانوية الكربونية في المستقبل، خاصة للتطبيقات في علم الأحياء (التلاعب بالجزيئات داخل الخلية، والشبكات العصبية الاصطناعية، والذاكرة الميكانيكية النانوية، وما إلى ذلك).

1. الأنابيب النانوية أحادية الجدار

1.1 الافتتاح

في أوائل عام 1993، أعلنت عدة مجموعات من العلماء أنه يمكن تضمين مواد غريبة في جسيمات الكربون النانوية أو الأنابيب النانوية باستخدام أقطاب كهربائية معدلة من خلال عملية التبخر القوسي. حصلت مجموعة رودني روف في كاليفورنيا، ومجموعة ياهاتشي سايتو في اليابان على بلورات LaC 2 مغلفة باستخدام أقطاب كهربائية مشبعة باللانثانوم، في حين أفاد سوبابان سيرافين وزملاؤه أنه يمكن دمج YC 2 في الأنابيب النانوية باستخدام أقطاب كهربائية تحتوي على الإيتريوم. لقد فتح هذا العمل مجالًا جديدًا تمامًا يعتمد على الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية باعتبارها "حاويات جزيئية"، ولكنه أدى أيضًا بشكل غير مباشر إلى اكتشاف مختلف تمامًا مع تطبيقات بنفس القدر من الأهمية.

أصبح دونالد بيثون وزملاؤه في مركز أبحاث آي بي إم ألمادن في سان لويس، كاليفورنيا، مهتمين جدًا بمقالات روف وآخرين. كانت هذه المجموعة تعمل على المواد المغناطيسية في تطبيقاتها لتخزين المعلومات، واعتقدت أن البلورات المعدنية الانتقالية المغناطيسية المغلفة بالكربون يمكن أن تكون ذات قيمة كبيرة في هذا المجال. في مثل هذه المواد، يجب أن تحتفظ الجزيئات المعدنية المغلفة بعزمها المغناطيسي وفي نفس الوقت تكون معزولة كيميائيًا ومغناطيسيًا عن جيرانها. لعدة سنوات عملت مجموعة IBM هذه على "الإشودرال الفوليرين"؛ تحتوي الفوليرينات على عدد قليل من ذرات المعادن بداخلها. لكن التجمعات الكبيرة أو البلورات الموجودة داخل الخلايا الشبيهة بالفوليرين يمكن أن تكون ذات أهمية عملية كبيرة. لذلك قرر بيثون تجربة بعض تجارب التبخر القوسي باستخدام أقطاب كهربائية مشربة بالمعادن الانتقالية المغناطيسية الحديد والكوبالت والنيكل. ومع ذلك، فإن نتيجة هذه التجربة لم تكن على الإطلاق ما كان متوقعا. أولًا، لم يكن السخام الناتج عن تبخر القوس مشابهًا للمادة المعتادة الناتجة عن تبخر القوس للجرافيت النقي. كانت طبقات السخام تتدلى مثل شبكة العنكبوت من جدران الغرفة، في حين أن المواد المترسبة على الجدران كانت ذات ملمس مطاطي ويمكن كشطها على شكل شرائح. عندما اختبر بيثون وزميله روبرت بايرز هذه المادة الجديدة الغريبة باستخدام المجهر الإلكتروني عالي الدقة، اندهشوا عندما اكتشفوا أنها تحتوي على العديد من الأنابيب النانوية ذات الجدران نفسها التي تحتوي على طبقة ذرية واحدة. تم خلط هذه الأنابيب الجميلة مع السخام غير المتبلور وجزيئات المعدن أو كربيد المعدن التي دعمت المادة بشكل يتناسب مع قوامها الغريب. تم قبول هذا العمل للنشر في مجلة Nature وظهر في يونيو 1993. وتظهر الصور المجهرية من هذه المقالة في الشكل 1.1.

الشكل 1.1 - لقطات من عمل بيثون وآخرين تظهر أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار التي يتم إنتاجها عن طريق التبخر المشترك للجرافيت والكوبالت. يبلغ قطر الأنابيب حوالي 1.2 نانومتر.

بشكل مستقل عن المجموعة الأمريكية، قام سوميو إيجيما وتوشيناري إيتشيهاشي من مختبرات إن إي سي في اليابان أيضًا بتجربة التبخر القوسي باستخدام أقطاب كهربائية معدلة. بالإضافة إلى ذلك، فقد اهتموا بتأثير تغير الجو داخل غرفة التبخر القوسية. مثل بيثون وزملائه، اكتشفوا أنه في ظل ظروف معينة يتم إنتاج نوع مختلف تمامًا من السخام، يختلف عن ذلك الذي يتشكل عادة عن طريق التبخر القوسي. في هذه الدراسة، قام العلماء اليابانيون بدمج الحديد في أقطابهم الكهربائية واستخدموا خليطًا من الميثان والأرجون بدلاً من الهيليوم كغلاف جوي. عند فحصها بواسطة المجهر الإلكتروني عالي الدقة، تم اكتشاف أن مادة هذا التبخر القوسي تحتوي على أنابيب نانوية رائعة جدًا، تمتد مثل الخيوط بين مجموعات من المواد غير المتبلورة أو الجزيئات المعدنية. تختلف الأنابيب النانوية أحادية الجدار عن تلك التي يتم إنتاجها عن طريق التبخر القوسي المستمر في توزيع قطرها الضيق جدًا. وفي حالة الأنابيب "العادية" يتراوح القطر الداخلي من 1.5 إلى 15 نانومتر، والقطر الخارجي من 2.5 إلى 30 نانومتر. ومن ناحية أخرى، فإن الأنابيب النانوية أحادية الجدار جميعها لها أقطار متشابهة جدًا. في المادة التي أعدها بيثون وزملاؤه، كان قطر الأنابيب النانوية 1.2 (±0.1) نانومتر، في حين وجد إيجيماي إيتشيهاشي أن أقطار الأنابيب تراوحت بين 0.7 إلى 1.6 نانومتر، ومركزها حوالي 1.05 نانومتر. مثل الأنابيب التي يتم إنتاجها عن طريق التبخر القوسي التقليدي، كانت الأنابيب النانوية أحادية الجدار مغطاة بالكامل، ولم يكن هناك أي دليل على وجود جزيئات محفزة معدنية في نهايات هذه الأنابيب. ومع ذلك، يُعتقد أن نمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار هو في الأساس عامل تحفيزي.

1.2 العمل اللاحق على الأنابيب النانوية أحادية الجدار

متابعةً للبحث الأساسي الأصلي، أجرى دونالد بيثون وزملاؤه في شركة IBM في سان خوسيه، بالتعاون مع علماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد البوليتكنيك وجامعة ولاية فرجينيا، سلسلة من الدراسات حول تحضير الأنابيب النانوية أحادية الجدار باستخدام مجموعة متنوعة من المواد. "المحفزات". في إحدى السلاسل الأولى، أظهروا أن إضافة الكبريت والكوبالت إلى الأنود (إما على شكل S نقي أو CoS) أدى إلى إنتاج أنابيب نانوية ذات نطاق أقطار أوسع من تلك المنتجة باستخدام الكوبالت وحده. وهكذا، تم الحصول على أنابيب نانوية أحادية الجدار بأقطار من 1 إلى 6 نانومتر عند العثور على الكبريت في الكاثود، مقارنة بـ 1-2 نانومتر في حالة الكوبالت النقي. وقد تبين لاحقًا أن البزموت والرصاص يمكن أن يعززا بالمثل تكوين الأنابيب ذات القطر الكبير.

وفي عام 1997، أظهرت مجموعة فرنسية أنه حتى مع التبخر القوسي، من الممكن تحقيق إنتاجية عالية من الأنابيب النانوية. كانت طريقتهم مشابهة للتقنية الأصلية لبيثون وزملائه، لكنهم استخدموا هندسة مفاعل مختلفة قليلاً. أيضًا، كان المحفز المستخدم عبارة عن خليط من النيكل/الإيتريوم بدلاً من الكوبالت الذي تفضله مجموعة بيثون. وقد وجد أن أكبر عدد من الأنابيب النانوية تشكل في "الياقة" حول راسب الكاثود، والتي شكلت حوالي 20% من الكتلة الإجمالية للمادة المتبخرة. وقدر العائد الكامل للأنابيب بنسبة 70-90٪. كشف فحص مادة الطوق بواسطة المجهر الإلكتروني عالي الدقة عن وجود العديد من حزم الأنابيب التي يبلغ قطرها حوالي 1.4 نانومتر. يشبه هذا المحصول ومظهر الأنابيب الناتجة عينات "الحزمة" لمجموعة سمالي باستخدام التبخر بالليزر.

في أواخر عام 1993، وصف شيخار سوبراموني من شركة دوبونت في ويلمنجتون بولاية ديلاوير، بالتعاون مع باحثين في SPI International، إنتاج الأنابيب النانوية أحادية الجدار بطريقة مختلفة. استخدم هؤلاء العلماء التبخر القوسي باستخدام أقطاب كهربائية مملوءة بالجادولينيوم لجمع السخام من جدران المفاعل. إلى جانب كميات كبيرة من الكربون غير المتبلور، احتوى السخام على هياكل من نوع "قنفذ البحر" تحتوي على أنابيب نانوية أحادية الجدار تنمو على جزيئات كبيرة نسبيًا من كربيد الجادولينيوم (بأبعاد نموذجية تصل إلى عشرات النانومترات). وكانت هذه الأنابيب أقصر من تلك التي تم الحصول عليها باستخدام معادن المجموعة الحديدية، ولكن كان لها نفس نطاق الأقطار. وأظهرت الأبحاث اللاحقة أن الأنابيب النانوية الشعاعية أحادية الجدار يمكن أن تتشكل على مجموعة متنوعة من المعادن الأخرى، بما في ذلك اللانثانم والإيتريوم. يُظهر الشكل 1.2، المأخوذ من عمل سايتو وزملائه، صورة نموذجية لأنابيب نانوية أحادية الجدار تنمو شعاعيًا من جسيم يحتوي على اللانثانوم. على عكس معادن المجموعة الحديدية، لا تُعرف العناصر الأرضية النادرة كمحفزات لإنتاج الأنابيب النانوية متعددة الجدران، لذا فإن تكوين الأنابيب عليها أمر مثير للدهشة تمامًا. حقيقة أن الأنابيب تنمو على جزيئات كبيرة نسبيًا تشير إلى أن آلية النمو هذه مختلفة. لقد تم اقتراح أن نمو الأنبوب على أسطح الجسيمات قد يتضمن إطلاق ذرات الكربون المفرطة التشبع من داخل جزيئات الكربيد. لاحظ أن النمو الشعاعي للأنابيب متعددة الطبقات من الجسيمات الحفزية تمت ملاحظته منذ سنوات عديدة بواسطة بيكر وآخرين.

تشمل الطرق التي تمت مناقشتها حتى الآن لإنتاج الأنابيب النانوية أحادية الجدار التبخر القوسي باستخدام أقطاب كهربائية معدلة. أظهر عمل سمالي وزملاؤه أنه يمكن أيضًا تصنيع الأنابيب النانوية أحادية الجدار باستخدام طريقة تحفيزية بحتة. تم وضع المحفز، الذي يستخدم جزيئات الموليبدينوم التي يبلغ قطرها عدة نانومتر، على الألومنيوم. تم وضع كل هذا داخل فرن على شكل أنبوب، يتم من خلاله تمرير أول أكسيد الكربون عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية. درجة الحرارة هذه أعلى بكثير من تلك المستخدمة عادةً في الإنتاج التحفيزي للأنابيب النانوية، وهو ما قد يفسر سبب تكوين الأنابيب النانوية أحادية الجدار بدلاً من الأنابيب النانوية متعددة الجدران.

تحتوي الأنابيب أحادية الطبقة المجهزة حفزيًا على عدد من الميزات المثيرة للاهتمام التي تميزها عن الأنابيب المصنعة عن طريق التبخر القوسي. أولاً، كانت الأنابيب الحفزية عادةً تحتوي على جزيئات معدنية صغيرة متصلة بالنهاية، تمامًا مثل الأنابيب متعددة الطبقات التي يتم إنتاجها عن طريق الحفز. كان هناك أيضًا نطاق واسع من أقطار الجسيمات (حوالي 1-5 نانومتر)، ويبدو أن قطر كل أنبوب تم تحديده بواسطة قطر جسيم المحفز المقابل. أخيرًا، عادةً ما يتم عزل الأنابيب أحادية الطبقة المشكلة حفزيًا بدلاً من تجميعها، كما هو الحال مع الأنابيب المتبخرة بالقوس.

دفعت هذه الملاحظات سمولي وزملائه إلى اقتراح آلية نمو للأنابيب المُشكَّلة حفزيًا والتي تتضمن التكوين الأولي لغطاء أحادي الطبقة (الذي أطلقوا عليه اسم يارمولك، وهو الاسم العبري لقلنسوة الجمجمة)، يليه نمو هذا الغطاء كغطاء. فهو ينفصل عن الجزيئات الحفزية، التي تترك الأنبوب بعد ذلك. تختلف هذه الآلية تمامًا عن تلك التي اقترحوها لنمو الأنابيب أحادية الطبقة عن طريق التبخر بالليزر.

الشكل 1.2 - أنابيب نانوية أحادية الجدار تنمو على جسيم اللانثانم

الشكل 1.3 - صور TEM لعينات من "حزم" الأنابيب النانوية أحادية الجدار (أ)

صورة منخفضة الدقة تظهر عددًا كبيرًا من الحزم، (ب) صورة مجهرية عالية الدقة لحزمة فردية تظهر على طول محورها.

1.3 "حزم" الأنابيب النانوية

منذ اكتشاف C60 في رايس عام 1985، ركزت مجموعة سمالي على استخدام الليزر في تصنيع المواد الشبيهة بالفوليرين. وفي عام 1995، قدموا تقريرًا عن تطور تكنولوجيا تخليق الليزر، مما سمح لهم بالحصول على أنابيب نانوية أحادية الجدار ذات إنتاجية عالية. وأدت التحسينات اللاحقة لهذه الطريقة إلى إنتاج أنابيب نانوية أحادية الجدار بأقطار موحدة بشكل غير عادي. تم الحصول على أفضل إنتاج للأنابيب النانوية الموحدة أحادية الجدار باستخدام خليط حفاز يتكون من أجزاء متساوية من Co وNi، وتم استخدام نبضة مزدوجة لضمان تبخر أكثر انتظامًا لمثل هذا الهدف.

يتم عرض العديد من الصور المجهرية للمواد التي تم الحصول عليها بواسطة هذه التكنولوجيا في الشكل 1.3. في المظهر العام، فهو يشبه إلى حد كبير مادة التبخر القوسي. ومع ذلك، تميل الأنابيب الفردية إلى تشكيل "حزم" أو حزم ممتدة تتكون من أنابيب فردية بنفس القطر. في بعض الأحيان كان من الممكن اكتشاف الحزم التي تمر على مسافة قريبة من اتجاه شعاع الإلكترون، بحيث يمكن رؤيتها "من طرف إلى طرف"، كما في الشكل 1.3(ب). بالإضافة إلى الفحص المجهري الإلكتروني، أجرى سمولي وزملاؤه قياسات حيود الأشعة السينية على عينات الحبال بالتعاون مع جون فيشر ومؤلفيه المشاركين في جامعة ولاية بنسلفانيا. تم الحصول على انعكاسات واضحة المعالم من الشبكة ثنائية الأبعاد، مما يؤكد أن الأنابيب لها نفس الأقطار. تم العثور على اتفاق جيد مع البيانات التجريبية على افتراض أن قطر الأنابيب النانوية كان 1.38 نانومتر مع وجود خطأ قدره ± 0.02 نانومتر. وجد أن فجوة فان دير فالس بين الأنابيب تبلغ 0.315 نانومتر، وهي مماثلة لتلك الموجودة في C60 البلوري. ومن خلال دراسات XRD، تم التوصل إلى أن هذه الحزم تتكون في الغالب من (10،10) أنابيب نانوية ذات ذراعين. وقد تم تأكيد ذلك بوضوح من خلال قياسات حيود الإلكترون النانوي لشعاع الإلكترون، بحيث يمكن رؤيتها "من النهاية إلى النهاية"، كما في الشكل 1.3 (ب).

2. نظريات نمو الأنابيب النانوية

2.1 ملاحظات عامة

من المهم أن نأخذ في الاعتبار أولاً التأثير على نمو هيكل الأنبوب. وفي بحثه الذي نشره في مجلة Nature عام 1991، أشار إيجيما إلى أن البنية الحلزونية تبدو مفضلة لأن مثل هذه الأنابيب لها نغمة متكررة في النهاية النامية. هذا الافتراض، الموضح في الشكل 2، يشبه إلى حد كبير مظهر خلع المسمار على سطح البلورة. لا تمتلك الأنابيب النانوية ذات الكراسي ذات الذراعين والأنابيب النانوية المتعرجة هذه البنية المفضلة للنمو، ويجب أن تتطلب النواة المتكررة لحلقة جديدة من الأشكال السداسية. يشير هذا إلى أنه يجب ملاحظة الأنابيب النانوية الحلزونية بشكل متكرر أكثر من الأنابيب النانوية ذات الكراسي ذات الذراعين أو الأنابيب النانوية المتعرجة، على الرغم من عدم وجود أدلة تجريبية كافية حاليًا لدعم ذلك.

الشكل 2. - رسم لأنبوبين حلزونيين متحدي المركز، يوضح وجود درجات عند أطراف النمو (5)

بعد ذلك، هناك سؤال مهم للغاية بالنسبة لآلية النمو - هل أنابيب النمو لها نهايات مغلقة أم مفتوحة؟ كان النموذج المبكر لنمو الأنابيب النانوية، الذي اقترحه إندو وكروتو لأول مرة، يفضل آلية مغلقة النهاية. لقد افترضوا أنه يمكن إدخال ذرات الكربون في سطح فوليرين مغلق في مواقع قريبة من الحلقات الخماسية، يليها الانتقال إلى حالة التوازن، مما قد يؤدي إلى تمدد مستمر للفوليرين الأصلي. ودعمًا لهذه الفكرة، استشهد إندو وكروتو بالإثبات الذي قدمه أولمر وزملاؤه بأن C60 وC70 يمكن أن ينموا بوضوح إلى فوليرينات كبيرة عند إضافة أجزاء صغيرة من الكربون.

في حين أن آلية إندو-كروتو توفر تفسيرًا معقولًا لنمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار، إلا أنه يظل تحديًا كبيرًا لتفسير النمو متعدد الطبقات. في دراستهما، تشير نماذج إندو وكروتو إلى أن النمو متعدد الطبقات يمكن أن يحدث "فوق المحور". إذا كان الأمر كذلك، فيبدو أنه لا يوجد سبب واضح لعدم بدء الطبقة الثانية في النمو فورًا بعد تكوين الفوليرين الأولي، وبمجرد إغلاق الطبقة الثانية، يجب أن يصبح أي تمديد إضافي للأنبوب الداخلي مستحيلاً. لكن هذا يتعارض مع ملاحظة أن معظم الأنابيب متعددة الطبقات على طولها بالكامل. يواجه هذا النموذج أيضًا صعوبات في شرح هياكل الأجزاء المتعددة. ولهذه الأسباب، لم يتم قبول آلية النمو المغلق إندو-كروتو على نطاق واسع.

إن الاستنتاج القائل بأن آلية النمو يجب أن تحدث مع الطرف المفتوح للأنبوب هو الأفضل في بعض النواحي. وكما قال ريتشارد سمالي: "إذا كنا قد تعلمنا أي شيء منذ 1984-1985 عن كيفية تكثف الكربون، فهو أن الصفائح المفتوحة يجب أن تربط بين الأشكال الخماسية بسهولة للتخلص من الروابط المتدلية". تعد مشكلة بقاء الأنابيب ذات نهاية مفتوحة في ظل ظروف مواتية لإغلاقها إحدى تلك المشكلات التي تناولها عدد من المؤلفين.

2.2 لماذا تظل الأنابيب النانوية مفتوحة أثناء النمو

اقترح بعض المؤلفين، ولا سيما سمولي وزملاؤه، أن المجال الكهربائي في القوس قد يلعب دورًا مهمًا في إبقاء الأنابيب مفتوحة أثناء النمو. وبشكل أكثر دقة، كان من المفترض أن يساعد هذا في فهم سبب عدم العثور على الأنابيب النانوية مطلقًا في السخام المتكثف على جدران غرفة التبخر القوسي. ومع ذلك، فقد أظهرت الحسابات أن الانخفاض الناجم عن المجال في الطاقة المفتوحة ليس كافيًا لتحقيق الاستقرار في التكوين المفتوح، إلا في المجالات المرتفعة بشكل غير واقعي. لذلك، تم تطوير نموذج أنيق تكون فيه الذرة "ملحومة موضعيًا" بين الطبقات، مما يساعد على تثبيت تكوين الطرف المفتوح بدلاً من إغلاقه.

تم تأكيد هذه الفكرة من خلال التجارب التي أجريت على إغلاق الأنابيب النانوية الفردية متعددة الجدران مع أو بدون تطبيق فرق الجهد. يمكن لمثل هذا النموذج أن يساعد في فهم نمو الأنابيب النانوية في القوس، ولكن لا يمكن تطبيقه على حالة نمو الأنابيب، حيث لا توجد مجالات كهربائية قوية. وقد دفع هذا بعض المؤلفين إلى اقتراح أن التفاعلات بين الأنابيب المتكاملة متحدة المركز وحدها قد تكون ضرورية لتحقيق الاستقرار في الأنابيب المفتوحة.

تم إجراء تحليل مفصل للتفاعل بين أنبوبين مدمجين بواسطة جان كريستوف شارلييه وزملائه باستخدام طرق الديناميكيات الجزيئية. ونظروا إلى أنبوب (10,0) داخل أنبوب (18,0) ووجدوا أن وصلات التجسير تتكون بين طرفي الأنبوبين. لقد وجد أنه عند درجات الحرارة المرتفعة (3000 كلفن) يتقلب تكوين هياكل الترابط المتماسكة بشكل مستمر. وكان من المفترض أن الهيكل المتقلب يجب أن يخلق مواقع نشطة لامتصاص وإدخال ذرات الكربون الجديدة، وبالتالي تعزيز نمو الأنبوب.

المشكلة في هذه النظرية هي أنها لا تستطيع تفسير نمو الأنابيب ذات الجدار الواحد ذات القطر الكبير تحت التأثير الحراري على سخام الفوليرين. بشكل عام، في الوقت الحاضر، يبدو أنه لا يوجد تفسير كامل لنمو الأنابيب النانوية المفتوحة.

2.3 خصائص قوس البلازما

تفترض معظم نماذج نمو الأنابيب النانوية التي تمت مناقشتها سابقًا أن الأنابيب تتنوي وتنمو في بلازما القوس. ومع ذلك، فقد أخذ بعض المؤلفين في الاعتبار الحالة الفيزيائية للبلازما نفسها ودورها في تكوين الأنابيب النانوية. تم إجراء المناقشة الأكثر تفصيلاً لهذه المشكلة بواسطة إيفجيني جامالي، خبير في فيزياء البلازما، وتوماس إبيسن (30، 31). هذه مسألة معقدة ولا يمكن هنا سوى تلخيص موجز لها.

يبدأ جامالي وإيبيسن بافتراض أن الأنابيب النانوية والجسيمات النانوية تتشكل في منطقة القوس بالقرب من سطح الكاثود. لذا قاموا بتحليل كثافة وسرعة بخار الكربون في المنطقة، مع الأخذ في الاعتبار درجة حرارة وخصائص القوس نفسه، من أجل تطوير نموذجهم. ويعتقدون أنه في طبقة بخار الكربون القريبة من سطح الكاثود، ستكون هناك مجموعتان من جزيئات الكربون ذات توزيعات سرعة مختلفة. هذه الفكرة أساسية لنموذج النمو الخاص بهم. يجب أن تحتوي مجموعة واحدة من جزيئات الكربون على ماكسويليان، أي. توزيع السرعة المتناحية المقابلة لدرجة حرارة القوس (~ 4000 كلفن). وتتكون المجموعة الأخرى من أيونات تتسارع في الفجوة بين الشحنة الفضائية الموجبة والكاثود. يجب أن تكون سرعة جزيئات الكربون هذه أكبر من سرعة الجزيئات الحرارية، وفي هذه الحالة يجب أن يكون التدفق اتجاهيًا وليس متناحيًا. تعتبر عملية تكوين الأنابيب النانوية (والجسيمات النانوية) بمثابة سلسلة من الدورات، تتكون كل منها من الخطوات التالية:

1. تكوين الجنين. في بداية عملية التفريغ، يكون توزيع سرعة الكربون في الطبقة المتبخرة في الغالب ماكسويليًا، وهذا يؤدي إلى تكوين هياكل ليس لها أي محور تناظر، مثل الجسيمات النانوية. عندما يصبح التيار أكثر توجيهًا، تبدأ الهياكل المفتوحة في التشكل، والتي يعتبرها جمالي وإيبيسن بمثابة بذور لنمو الأنابيب النانوية.

2. نمو الأنابيب أثناء التفريغ المستقر. عندما يستقر التفريغ، يخترق تدفق أيونات الكربون طبقة البخار في اتجاه عمودي على سطح الكاثود. ستساهم جزيئات الكربون هذه في استطالة الأنابيب النانوية أحادية الجدار ومتعددة الجدران. نظرًا لأن تفاعل جزيئات الكربون الموجهة مع سطح صلب يجب أن يكون أكثر كثافة من جزيئات الكربون في طبقة البخار، فإن نمو الهياكل الممتدة يجب أن يكون له الأسبقية على تكوين الهياكل المتناحية. ومع ذلك، فإن تكثيف الكربون من طبقة البخار على سطح الكاثود سوف يساهم في زيادة سماكة الأنابيب النانوية.

3. نهاية النمو والإغلاق. لاحظ جامالي وإيبيسن أن الأنابيب النانوية غالبًا ما تُرى وهي تنمو في حزم، وأنه في الحزمة المرصودة لجميع الأنابيب، يحدث النمو والإنهاء في نفس الوقت تقريبًا. وهذا يقودهم إلى الشك في حدوث عدم استقرار في تفريغ القوس، مما قد يؤدي إلى النهاية المفاجئة لنمو الأنابيب النانوية. يمكن أن تحدث حالات عدم الاستقرار هذه من الحركة غير المستقرة لبقعة الكاثود على طول سطح الكاثود أو من الانقطاع التلقائي واشتعال القوس. في مثل هذه الظروف، سوف تسود مرة أخرى جزيئات الكربون ذات توزيع السرعة القصوى، وسيؤدي تكثيف هذا الكربون في النهاية إلى سد الأنبوب ونهاية النمو.

2.4 النماذج البديلة

لقد قدم العلماء نظرية مختلفة تمامًا عن نمو الأنابيب النانوية أثناء التبخر القوسي. في هذا النموذج، لا تنمو الأنابيب النانوية والجسيمات النانوية في بلازما القوس، بل تتشكل عند الكاثود نتيجة لتحول الحالة الصلبة. وبالتالي، فإن نمو الأنابيب النانوية ليس نتيجة لفعل المجال الكهربائي، ولكنه ببساطة نتيجة للتسخين السريع للغاية إلى درجات حرارة عالية تتعرض لها المادة المترسبة على الكاثود أثناء عمل القوس. بدأت هذه الفكرة من خلال ملاحظة أنه يمكن تحضير الأنابيب النانوية عن طريق التعرض الحراري لدرجة حرارة عالية لأسود كربون الفوليرين وتتصور عملية من خطوتين لزراعة الأنابيب النانوية التي يكون فيها أسود كربون الفوليرين منتجًا وسيطًا. ويمكن تعميم النموذج على النحو التالي. خلال المراحل الأولية من تبخر القوس، يجب أن تتكثف المواد الشبيهة بالفوليرين (بالإضافة إلى الفوليرين) عند الكاثود، ومن ثم يجب أن تتعرض المادة المتكثفة لدرجات حرارة عالية مع استمرار عملية القوس، مما يؤدي إلى تكوين أول أنبوب نانوي أحادي الطبقة. الهياكل الشبيهة، ومن ثم الأنابيب النانوية متعددة الجدران. في هذا النموذج المكون من مرحلتين، الإجراء الرئيسي هو تلدين سناج الفوليرين. وبالتالي، فإن السخام المتراكم على جدران المفاعل، والذي يعاني من التلدين الضعيف نسبيًا، لا يتم تحويله إلى أنابيب. من ناحية أخرى، يجب أن يخضع السخام الذي يتكثف على الكاثود لتليين كبير: وهذا سيؤدي إلى تكوين الأنابيب والجسيمات النانوية على شكل كتلة صلبة. ولذلك، فإن مثل هذا النموذج يسمح لنا بشرح تأثير متغيرات مثل تبريد القطب وضغط الهليوم على إنتاج الأنابيب النانوية. يبدو أن التبريد بالماء يجب أن يكون ضروريًا للحفاظ على درجة حرارة الكاثود منخفضة إلى المستوى اللازم لتجنب خبث الأنابيب. وبالمثل، يمكن تفسير دور الهيليوم من حيث تأثيره على درجة حرارة راسب الكاثود. نظرًا لأن الهيليوم موصل ممتاز للحرارة، فإن الضغط العالي يجب أن يتسبب في انخفاض درجة حرارة القطب، مما يؤدي إلى انخفاضه إلى منطقة حيث يمكن أن يحدث نمو الأنابيب النانوية دون خبث.

2.5 نمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار

نحن ندرس أولاً نمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار في المبخر القوسي. تثير هذه العملية تساؤلات لا تقل عن إثارة مسألة نمو الأنابيب النانوية متعددة الجدران في قوس. ومن بين هذه الأسئلة الأكثر وضوحًا ما يلي: لماذا تتم ملاحظة الأنابيب النانوية أحادية الجدار فقط؟ لماذا يوجد مثل هذا التوزيع الضيق لأقطار الأنابيب؟ ما هو دور المعدن؟ لماذا تنمو الأنابيب في أغلب الأحيان على شكل حزم؟ مرة أخرى، ليس لدينا سوى عدد قليل من الإجابات المحددة على هذه الأسئلة.

الشيء الوحيد الذي يبدو واضحًا هو أن نمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار يجب أن يخضع إلى حد كبير للحركية بدلاً من الديناميكا الحرارية، حيث من المتوقع أن تكون الأنابيب ذات الأقطار الصغيرة جدًا أقل استقرارًا من تلك ذات الأقطار الكبيرة. من المفترض أيضًا أن يكون غياب العديد من الطبقات مقيدًا بالعوامل الحركية. فيما يتعلق بدور المعدن، اقترح كل من بيثون وزملاؤه وإيجيما وإيتشيهاشي أن ذرات المعدن الفردية أو مجموعات صغيرة منها يمكن أن تعمل كمحفزات لنمو طور البخار، وهو ما يشبه الطريقة التي تحفز بها الجزيئات المعدنية الصغيرة نمو الأنابيب متعددة الطبقات . إن مشاركة الذرات الفردية أو المجموعات المحددة جيدًا يجب أن تساعد في تفسير التوزيعات ذات الحجم الضيق. ولكن من المثير للدهشة أنه لا يبدو أن الأنواع الحفزية يمكن ملاحظتها أبدًا على قمم الأنابيب النانوية أحادية الجدار. حتى لو كانت الجسيمات الحفزية عبارة عن ذرات منفردة، فيمكن اكتشافها بواسطة المجهر الإلكتروني عالي الدقة أو المجهر الإلكتروني الماسح (STEM). من الممكن أن تنفصل الذرات أو الجزيئات الحفزية أثناء إغلاق الأنابيب. كما هو مذكور أعلاه، أظهر بيثون وزملاؤه أن إضافة عناصر مثل الكبريت إلى المعدن يمكن أن يعطل بشكل كبير توزيع أقطار الأنابيب. مزيد من الدراسة لهذه الظاهرة قد توفر تفسيرات مفيدة لآلية النمو.

إحدى المحاولات العديدة لتطوير نموذج تفصيلي لنمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار قام بها تشينج هوا كيانج وويليام جودارد. يقترح هؤلاء الباحثون أن حلقات البوليين الكاملة قد تكون بمثابة نواة لتكوين الأنابيب النانوية أحادية الجدار. لقد ثبت أن مثل هذه الهياكل الحلقية يجب أن تكون هي الجسيمات السائدة في أزواج الكربون، بينما تهيمن هياكل الإطار المغلق على الأحجام الأكبر. لقد تم افتراض أن حلقات الكربون قد تكون مقدمة لتكوين الفوليرين، على الرغم من أن هذا لا يزال مثيرًا للجدل. يعتقد كيانج وجودارد أن المواد الأولية لتكوين الأنابيب النانوية أحادية الجدار هي حلقات كربون أحادية الحلقة ومجموعات الطور الغازي من كربيد الكوبالت، والتي من المحتمل أن تكون مشحونة. تعمل مجموعات كربيد الكوبالت كمحفزات عند ربطها بحلقات ثاني أكسيد الكربون أو الأنواع الأخرى. يقترح هؤلاء المؤلفون أن شكلًا محددًا يجب أن يؤثر على بنية الأنابيب النانوية الناشئة.

اقترح سمولي وزملاؤه، بعد تركيبهم لحزم الأنابيب النانوية، آلية نمو لها بعض أوجه التشابه مع آلية كيانج وجودارد. يعتمد هذا النموذج على افتراض أن جميع الأنابيب لها نفس هيكل الكرسي (10,10). يسمح هذا الهيكل الفريد للحلقات السداسية المفتوحة بأن "تمتد" بواسطة روابط ثلاثية، على الرغم من أنها يجب أن تكون متوترة بشكل كبير مقارنة بترتيبها الخطي الأصلي. تفترض مجموعة سمولي بعد ذلك أن ذرة نيكل واحدة سوف تمتز كيميائيًا في نهاية الأنبوب و"تمتد" حول محيط الأنبوب (الشكل 2.1)، مما يساعد على وضع ذرات الكربون الواردة على الحلقات السداسية. سوف تنعكس أي هياكل دون المستوى الأمثل محليًا، بما في ذلك الأشكال الخماسية، لذلك سيستمر مثل هذا الأنبوب في النمو إلى أجل غير مسمى.

هنا، كما هو الحال بالنسبة للآليات الأخرى المقترحة لنمو الأنابيب النانوية أحادية الجدار، لا يوجد دليل تجريبي مباشر.

الشكل 2.1 - رسم توضيحي لآلية "السكوتر" أثناء نمو (10،10) من الأنابيب النانوية ذات الكراسي ذات الذراعين.

وقد حاول عدد من المجموعات العلمية حول العالم تنقية عينات الأنابيب النانوية باستخدام طرق مثل الطرد المركزي والترشيح واللوني. تتضمن بعض هذه الطرق التحضير الأولي للمعلقات الغروية للمواد المحتوية على الأنابيب النانوية باستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي. على سبيل المثال، استخدم جان مارك بونارد وزملاؤه مادة دوديكاسيكلوسلفات الصوديوم الأنيونية ذات الفاعلية السطحية (SDS) لتحقيق تعليق مستقر للأنابيب النانوية والجسيمات النانوية في الماء. في البداية، تم استخدام طريقة الترشيح لفصل الأنابيب النانوية عن الجسيمات النانوية، ولكن تم تحقيق فصل أكثر نجاحًا ببساطة عن طريق ترك الأنابيب النانوية تتساقط على شكل كتل، مما يترك الجسيمات النانوية معلقة. يمكن بعد ذلك إزالة الرواسب ومواصلة إجراءات الترسيب. ولم يسمح هذا باستخراج الجسيمات النانوية فحسب، بل أدى أيضًا إلى فصل بعض الأنابيب على طول أطوالها.

طريقة أخرى لتحقيق فصل حجم الأنابيب النانوية وصفها دويسبيرج وزملاؤه من معهد ماكس بلانك في شتوتغارت وكلية ترينيتي في دبلن. تم مرة أخرى الحصول على فصل الأنابيب والمواد الأخرى في حمض SDN. ثم تم إجراء الفصل باستخدام كروماتوجرافيا استبعاد الحجم (SEC). وقد استُخدمت هذه التقنية على نطاق واسع لفصل الجزيئات البيولوجية الكبيرة، وأثبت الباحثون إمكانية فصل عينات الأنابيب النانوية بنجاح إلى أجزاء ذات أطوال أنابيب مختلفة. أحد العيوب المحتملة لاستخدام المواد الخافضة للكبريت مثل SDN في تنقية الأنابيب النانوية هو أن آثار مادة الكبريت قد تبقى في المنتج النهائي. ومع ذلك، أظهر بونارد وزملاؤه أنه من الممكن تقليل مستويات SDN إلى أقل من 0.1% عن طريق الغسيل.

3. تنظيف الأنابيب ذات الطبقة الواحدة

كما تم تطوير طرق لتنظيف الأنابيب أحادية الجدار، على الرغم من أن العملية تتطلب جهدًا أكبر من الأنابيب النانوية متعددة الجدران. بالإضافة إلى الكميات الكبيرة من الكربون غير المتبلور، تحتوي الأنابيب النانوية المحتوية على أسود الكربون أيضًا على جزيئات معدنية، والتي غالبًا ما تكون مغلفة بالكربون. علاوة على ذلك، فإن طرق الأكسدة القاسية المستخدمة لتنظيف الأنابيب النانوية متعددة الجدران مدمرة أيضًا للأنابيب أحادية الجدار.

وصف العلماء اليابانيون عملية الإزالة المتتابعة للشوائب المختلفة خطوة بخطوة. تضمنت الخطوة الأولى غسل السخام الخام بالماء المقطر لمدة 12 ساعة، يليه الترشيح والتجفيف. سمح هذا الإجراء بإزالة بعض جزيئات الجرافيت والكربون غير المتبلور. تم غسل الفوليرين باستخدام التولوين في جهاز سوكسليت. ثم تم تسخين السخام إلى 470 درجة مئوية في الهواء لمدة 20 دقيقة للتخلص من الجزيئات المعدنية. وأخيرًا، تم تعريض السخام المتبقي لحمض البيركلوريك لإذابة الجزيئات المعدنية. وأظهر فحص المنتج النهائي بواسطة المجهر الإلكتروني وحيود الأشعة السينية أنه تمت إزالة معظم الملوثات، على الرغم من بقاء بعض الجسيمات النانوية المملوءة والفارغة.

طور سمالي وزملاؤه طريقة لتنقية عينات الأنابيب النانوية من الحزم باستخدام الترشيح الدقيق. وكانوا أول من وصف تقنية استخدام الخافض للتوتر السطحي الكاتيوني لتحضير معلق الأنابيب النانوية والمواد المصاحبة في المحلول، ثم ترسيب الأنابيب النانوية على الغشاء. ومع ذلك، كان الترشيح المتكرر مع تحضير المعلق بعد كل ترشيح مطلوبًا لتحقيق مستوى كبير من التنقية، مما يجعل مثل هذا الإجراء بطيئًا للغاية وغير فعال. تم وصف طريقة محسنة في ورقة حيث تم استخدام الموجات فوق الصوتية، والحفاظ على المادة في حالة تعليق أثناء الترشيح، وبالتالي السماح بعملية ترشيح مستمرة لكميات كبيرة من العينة. وبهذه الطريقة، أصبح من الممكن تنقية ما يصل إلى 150 ملجم من السخام خلال 3-6 ساعات للحصول على مادة تحتوي على أكثر من 90% من SWNT.

ويمكن أيضًا تنظيف الأنابيب أحادية الطبقة باستخدام التحليل الكروماتوجرافي، وقد وصف دويسبورج وزملاؤه طريقة مشابهة لتلك المستخدمة في الأنابيب النانوية الكربونية الصغيرة (MWNTs)، وأظهروا فعاليتها في الأنابيب النانوية الكربونية (SWNTs).

4. محاذاة عينات الأنابيب النانوية

بلازما تشبه أنبوب الكربون النانوي الفوليرين

العديد من طرق التحضير الموصوفة أعلاه تنتج عينات باستخدام أنابيب نانوية موجهة بشكل عشوائي. على الرغم من أن الأنابيب غالبًا ما يتم تجميعها في حزم، إلا أن الحزم نفسها لا تتماشى بشكل عام مع بعضها البعض. لقياس خصائص الأنابيب النانوية، سيكون من المفيد جدًا الحصول على عينات يتم فيها محاذاة جميع الأنابيب في نفس الاتجاه. على الرغم من أن الطرق التحفيزية لإعداد الأنابيب المحاذاة قد تم وصفها بالفعل، إلا أنه كان من الضروري أيضًا تطوير تقنيات لمحاذاة عينات الأنابيب بعد تركيبها. وهكذا، تم اقتراح إحدى أولى هذه الأساليب في عام 1995 من قبل مجموعة من مدرسة الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان في سويسرا. واستخدموا عينة MWNT تم إعدادها بواسطة التبخر القوسي والتي تم تنقيتها بواسطة الطرد المركزي والترشيح لإزالة الجسيمات النانوية والملوثات الأخرى. تم بعد ذلك ترسيب أغشية رقيقة من الأنابيب النانوية المنقاة على سطح البلاستيك، وأظهرت صور SEM أن هذه الأنابيب تصطف بشكل عمودي على الفيلم في هذه الحالة المترسبة بحرية. وقد وجد أنه يمكن محاذاة الأنابيب بالتوازي مع سطح العينة، والتي سبق أن تم فركها قليلاً بالتفلون أو رقائق الألومنيوم. ويدعي المؤلفون أنه يمكن صنع الأفلام "كبيرة بشكل تعسفي" بهذه الطريقة، واستخدموا هذه الأفلام لإجراء تجارب الانبعاث الميداني.

هناك طريقة أخرى لمحاذاة الأنابيب النانوية وهي دمج الأنابيب في مصفوفة ثم بثق المصفوفة بطريقة ما بحيث تتم محاذاة الأنابيب في اتجاه التدفق.

5. التحكم في طول أنابيب الكربون النانوية

تم وصف تقنية قطع الأنابيب النانوية الفردية أحادية الجدار إلى أطوال يمكن التحكم فيها من قبل الباحثين في جامعتي دلفت ورايس في أواخر عام 1997. تم إنتاج الأنابيب النانوية المستخدمة عن طريق التبخير بالليزر بواسطة مجموعة سمالي وتم ترسيبها على سطح بلورات الذهب المفردة لفحصها عن طريق مسح الأنفاق. الفحص المجهري. عندما تم تحديد الأنبوب النانوي المناسب، تم إيقاف المسح وتم تقديم طرف Pt/Ir إلى نقطة محددة على ذلك الأنبوب. ثم تم إيقاف التغذية المرتدة، وتم تطبيق نبض الجهد بين الطرف والعينة لفترة معينة. عند استئناف المسح، كان هناك كسر واضح على الأنبوب النانوي إذا تم القطع بنجاح. لقد ثبت أنه يمكن قطع الأنابيب الفردية إلى ما يصل إلى أربعة أوضاع فردية. لقد وجد أن العامل الحاسم في عملية التقطيع هو الجهد وليس التيار، ويجب أن يكون الحد الأدنى من الجهد المطلوب لعملية التقطيع 4 فولت.

من خلال قطع الأنابيب النانوية الفردية إلى أطوال قصيرة، تمكن الباحثون من إظهار أن الخواص الكهربائية للأنابيب القصيرة كانت مختلفة عن تلك الخاصة بالأنابيب النانوية الأصلية. وتعزى هذه الاختلافات إلى ظهور تأثيرات حجم الكم.

بالإضافة إلى التحكم في أطوال الأنابيب النانوية الفردية، من الممكن قطع عينات كبيرة من الأنابيب النانوية أحادية الجدار إلى أطوال قصيرة. وقد تم إثبات ذلك في عام 1998 من خلال مجموعة سمالي. الطريقة الأكثر فعالية للحصول على عينات من الأنابيب القصيرة (كانت تسمى "أنابيب الفوليرين") هي صوتنة مادة الأنابيب النانوية في محلول من أحماض الكبريتيك والنيتريك. أثناء هذا التعرض، يبدو أن الكيمياء الصوتية المخلصة تنتج ثقوبًا في أسطح الأنابيب، والتي تتعرض بعد ذلك للهجوم بواسطة الأحماض، وتشكل "أنابيب" مفتوحة. أظهر سمولي وزملاؤه أنه يمكن فرز هذه الأنابيب إلى أجزاء ذات أطوال مختلفة باستخدام طريقة تُعرف باسم تجزئة التدفق الميداني. كما قاموا أيضًا بحشو نهايات هذه الأنابيب النانوية المكشوفة بمجموعات وظيفية مختلفة، وأظهروا أن جزيئات الذهب يمكن أن تلتصق بنهايات أنبوب الفونوديون. يمكن اعتبار هذا العمل بداية لكيمياء عضوية جديدة تعتمد على أنابيب الكربون النانوية.

6. تحليل البحث

تظل طريقة التبخر القوسي التي اتبعها إيجيما وإيبيسن وأجايان أفضل تقنية لتصنيع الأنابيب النانوية عالية الجودة، ولكنها تعاني من عدد من العيوب. أولا، أنها كثيفة العمالة وتتطلب بعض المهارات لتحقيق المستوى المناسب من إمكانية تكرار نتائج. ثانيًا، يكون الناتج منخفضًا جدًا، حيث يتم ترسيب المزيد من الكربون المتبخر على جدران الغرفة مقارنةً بالكاثود، وتصبح الأنابيب النانوية ملوثة بالجسيمات النانوية وشظايا الجرافيت الأخرى. ثالثًا، إنها عملية خبز أكثر من كونها عملية مستمرة ولا تتوسع بسهولة. إذا تم استخدام الأنابيب النانوية تجاريًا على نطاق واسع، فمن المحتمل أن تكون هناك حاجة لاستخدام طريقة تحضير مختلفة. يعوق التقدم في هذا الاتجاه عدم فهم آلية نمو الأنبوب في القوس. ولذلك، ينبغي الترحيب بإجراء المزيد من الأبحاث المخصصة خصيصًا لتوضيح آلية نمو الأنابيب النانوية.

هناك ضعف خطير آخر في طريقة التبخر القوسي وجميع التقنيات الحالية الأخرى لتحضير الأنابيب النانوية متعددة الجدران: فهي تنتج مجموعة واسعة من أحجام الأنابيب وهياكلها. يمكن أن يكون هذا مشكلة ليس فقط بالنسبة لبعض التطبيقات، ولكن أيضًا عيبًا في المناطق التي تحتاج إلى هياكل أنبوبية محددة، مثل الإلكترونيات النانوية. هل من الممكن التنبؤ بالمسار الذي ستتخذه الأنابيب ذات الهياكل المحددة لتحضيرها؟ ربما سيتم تحقيق ذلك من خلال الاستخدام الإبداعي للعوامل الحفازة.

وقد لفت الباحثون الانتباه إلى الاتساق الأكبر للأنابيب ذات الجدار الواحد مقارنة بنظيراتها متعددة الجدران، على الأقل فيما يتعلق بأقطارها. ومع ذلك، فإن الطرق المستخدمة مباشرة لتصنيع الأنابيب أحادية الجدار أكثر تعقيدًا من تلك الخاصة بالأنابيب النانوية متعددة الجدران. تنتج تقنية التبخر بالليزر التي طورتها مجموعة سمولي أفضل المواد ذات الجودة بأعلى إنتاجية، لكن أشعة الليزر عالية الطاقة المطلوبة لهذه الطريقة ليست متاحة دائمًا للمختبر العادي. وكما هو الحال مع الأنابيب متعددة الطبقات، فإن الطريق إلى الأمام قد ينطوي على أساليب تحفيزية، والأبحاث الحالية في هذا الاتجاه مشجعة. وفي نهاية المطاف، من المأمول أن يتمكن الكيميائيون العضويون من إكمال التركيب الكامل للأنابيب النانوية. ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن هذا قد يكون احتمالًا بعيدًا، لأنه حتى التوليف الكامل لـ C60 لم يتم تنفيذه بعد.

في حين يتم حاليًا إنتاج الأنابيب النانوية عالية الجودة باستخدام طرق تنتج أيضًا كميات كبيرة من المواد الملوثة، فمن المهم ملاحظة وجود طرق لإزالة هذه المواد. لحسن الحظ، تم إحراز تقدم كبير مؤخرًا في هذا المجال، وتتوفر الآن مجموعة متنوعة من الطرق لإزالة الجسيمات النانوية غير المرغوب فيها، والكربون الصغير المسام، والملوثات الأخرى من عينات الأنابيب النانوية متعددة الجدران وأحادية الجدار. كما تم تطوير إجراءات لمحاذاة الأنابيب وقطعها لأطوال يمكن التحكم فيها. ستسمح هذه التقنيات بإحراز تقدم في المجالات التي لا يزال فيها نقص العينات النقية والمحددة جيدًا يمثل مشكلة خطيرة.

خاتمة

إن طريقة تحضير الأنابيب النانوية، التي وصفها إنجيما في عام 1991، أعطت محصولًا ضعيفًا نسبيًا، مما جعل إجراء مزيد من الدراسة لبنيتها وخصائصها أمرًا صعبًا. حدث تقدم مهم في يوليو 1992، عندما قام توماس إيبيسن وبوليكل أجيان، اللذان كانا يعملان في نفس المختبر الياباني الذي يعمل فيه إيجيما، بوصف طريقة لتحضير كميات جرامية من الأنابيب النانوية. ومرة أخرى، كان اكتشافًا غير متوقع: أثناء محاولتهما تحضير مشتقات الفوليرين، اكتشف إيبيسين وأجايان أن زيادة ضغط الهيليوم في غرفة التبخر القوسي أدى إلى تحسين إنتاجية الأنابيب النانوية المتكونة في سخام الكاثود بشكل كبير. وقد أدى توفر الأنابيب النانوية بكميات كبيرة إلى زيادة هائلة في وتيرة الأبحاث حول العالم.

ومن المجالات الأخرى التي جذبت الاهتمام المبكر فكرة استخدام أنابيب الكربون النانوية والجسيمات النانوية كـ "حاويات جزيئية". ومن المعالم البارزة في هذا الاتجاه كان العرض الذي قدمه أجايان وإيجيما حول إمكانية ملء الأنابيب النانوية بالرصاص المنصهر وبالتالي استخدامها كقوالب لـ "الأسلاك النانوية". وفي وقت لاحق، تم تطوير طرق أكثر تحكمًا لفتح وتعبئة الأنابيب النانوية، مما يسمح بوضع مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك المواد البيولوجية، داخلها. يمكن أن يؤدي فتح وتعبئة الأنابيب النانوية إلى خصائص مذهلة يمكن استخدامها في الحفز الكيميائي أو أجهزة الاستشعار البيولوجية. قد يكون لجسيمات الكربون النانوية المملوءة أيضًا تطبيقات مهمة في مجالات متنوعة مثل التسجيل المغناطيسي والطب النووي.

ربما ينبغي تخصيص الجزء الأكبر من أبحاث الأنابيب النانوية لخصائصها الإلكترونية. لقد سبق ذكر العمل النظري الذي سبق اكتشاف إيجيما أعلاه. بعد وقت قصير من رسالة إيجيما إلى مجلة Nature عام 1991، ظهرت ورقتان بحثيتان أخريان حول الخواص الإلكترونية لأنابيب الكربون النانوية. أجرى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ونورياكي هامادا وزملاؤه من مختبر إيجيما في تسوكوبا حسابات بنية النطاق باستخدام نموذج ربط محكم وأثبتوا أن الخصائص الإلكترونية تعتمد على كل من هيكل الأنبوب وقطره. أثارت هذه التنبؤات الرائعة اهتمامًا كبيرًا، لكن محاولة تحديد الخصائص الإلكترونية للأنابيب النانوية واجهت صعوبات كبيرة تجريبيًا. ولكن لم يتم إجراء قياسات تجريبية على الأنابيب النانوية الفردية حتى عام 1996، والتي يمكن أن تؤكد التنبؤات النظرية. تشير هذه النتائج إلى أن الأنابيب النانوية يمكن أن تصبح مكونات للأجهزة الإلكترونية النانوية المستقبلية.

مثّل تحديد الخواص الميكانيكية لأنابيب الكربون النانوية صعوبات هائلة، لكن المجربين ارتقوا إلى مستوى التحدي مرة أخرى. أظهرت القياسات باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ ومجهر القوة الذرية أن الخواص الميكانيكية لأنابيب الكربون النانوية يمكن أن تكون استثنائية مثل خواصها الإلكترونية. ونتيجة لذلك، زاد الاهتمام باستخدام الأنابيب النانوية في المواد المركبة.

في الوقت الحاضر، هناك مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة الأخرى للأنابيب النانوية تثير الاهتمام. على سبيل المثال، يقوم عدد من العلماء باستكشاف مشكلة استخدام الأنابيب النانوية كنصائح للفحص المجهري الماسح. وبفضل شكلها المستطيل وأطرافها المدببة وصلابتها العالية، كانت الأنابيب النانوية مناسبة بشكل مثالي لهذا الغرض، وأظهرت التجارب الأولية في هذا المجال نتائج مثيرة للإعجاب للغاية. لقد ثبت أيضًا أن الأنابيب النانوية تتمتع بخصائص انبعاث مجالية مفيدة، مما قد يؤدي إلى استخدامها في شاشات العرض المسطحة. إن الأبحاث المتعلقة بالأنابيب النانوية في كل مكان تنمو بمعدل فلكي، ومن المؤكد أن التطبيقات التجارية لن تنتظر طويلاً.

فهرس

1. ب. هاريس، أنابيب الكربون النانوية والهياكل ذات الصلة. مواد جديدة من القرن الحادي والعشرين - م: تكنوسفير، 2003.

تم النشر على موقع Allbest.ru

وثائق مماثلة

هيكل الجرافيت الذي يحدد خصائصه الكهربائية. أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار ومتعددة الجدران. طاقة ربط البروم بطبقة من الجرافيت التقنية التجريبية وخصائص التثبيت. الوصف الظاهري لعملية البرومة.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 17/09/2011


تصنيف الهياكل النانوية الكربونية. نماذج تكوين الفوليرين. تجميع الفوليرين من شظايا الجرافيت. آلية تكوين جزيئات الكربون النانوية عن طريق تبلور الكتلة السائلة. طرق تحضير وتركيب وخصائص أنابيب الكربون النانوية.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 25/09/2009


عمليات الامتصاص عند حدود مرحلة السوربات-الماصة. طرق إنتاج المواد الكربونية المسامية. طرق الامتزاز لمعالجة مياه الصرف الصحي. التفاعلات الأساسية للتفاعل بين مكونات مخاليط المواد العضوية في عمليات التحلل الحراري المشترك.

أطروحة، أضيفت في 21/06/2015


المفاهيم الأساسية وطرق لحام خطوط الأنابيب. اختيار الصلب لخط أنابيب الغاز. تحضير حواف الأنابيب للحام. اختيار مواد اللحام. متطلبات تجميع الأنابيب. اختبارات تأهيل اللحامين. تكنولوجيا وتقنية اللحام بالقوس اليدوي.

أطروحة، أضيفت في 25/01/2015


نظام تثبيت سرعة دوران محرك التيار المستمر كمثال لاستخدام طرق نظرية التحكم الآلي. نظام لتثبيت تيار فرن صهر الفولاذ القوسي، وقوة القطع للعملية من خلال الطحن غير المركزي.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 18/01/2013


تكنولوجيا إنتاج اللحام. تاريخ تطور إنتاج اللحام. خصائص اللحام بقوس الأرجون ونطاق استخدامه. تطبيقات ومزايا وعيوب اللحام بقوس الأرجون. الخصائص المقارنة للمعدات لهذا النوع من اللحام.

الملخص، تمت إضافته في 18/05/2012


تكوين وخصائص الصلب. معلومات حول قابلية اللحام. تقنية لإنتاج وصلة ملحومة متداخلة بين ورقتين باستخدام اللحام القوسي اليدوي واللحام بالغاز باستخدام قطب كهربائي مستهلك. اختيار مواد اللحام ومصادر طاقة قوس اللحام.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 28/05/2015


تحديد قابلية اللحام للمواد المستخدمة واختيار مواد الحشو والمعدات. وحدة اللحام للقشرة العلوية والسفلية. حساب وضع اللحام بالقوس اليدوي. خريطة العملية التكنولوجية لعقدة اللحام A Ar-C17 وفقًا لـ GOST 14771-76.

تمت إضافة الدورة التدريبية في 20/02/2013


معلومات عامة عن المواد المركبة. خصائص المواد المركبة مثل السيبونيت. مجموعة من المواد الكربونية المسامية. مواد التدريع وامتصاص الراديو. سيراميك فوسفات الكالسيوم هو بوليمر حيوي لتجديد أنسجة العظام.

الملخص، تمت إضافته في 13/05/2011


أنواع وخصائص الأنابيب البلاستيكية، مبررات اختيار طريقة ربطها، مبادئ الربط. القواعد العامة للحام بعقب الأنابيب البلاستيكية والبولي بروبيلين. تكنولوجيا اللحام بالمقبس. مبادئ ومراحل تركيب أنابيب البولي بروبلين.

تنقية أنابيب الكربون النانوية

لا تتيح أي من الطرق الشائعة للحصول على الأنابيب النانوية الكربونية عزلها في شكلها النقي. يمكن أن تكون الشوائب في NT عبارة عن الفوليرين، والكربون غير المتبلور، والجسيمات الجرافيتية، والجسيمات المحفزة.

يتم استخدام ثلاث مجموعات من طرق تنقية CNT:

مدمرة،

غير مدمرة،

مجموع.

تستخدم الطرق التدميرية تفاعلات كيميائية يمكن أن تكون مؤكسدة أو مختزلة وتعتمد على الاختلافات في تفاعل أشكال الكربون المختلفة. للأكسدة، يتم استخدام إما محاليل العوامل المؤكسدة أو الكواشف الغازية، ويستخدم الهيدروجين للاختزال. تسمح الطرق بعزل الأنابيب النانوية الكربونية عالية النقاء، ولكنها ترتبط بفقدان الأنبوب.

تشمل الطرق غير المدمرة الاستخلاص، والتلبد، والترسيب الانتقائي، والترشيح الدقيق للتدفق المتقاطع، وكروماتوغرافيا استبعاد الحجم، والرحلان الكهربائي، والتفاعل الانتقائي مع البوليمرات العضوية. كقاعدة عامة، هذه الأساليب منخفضة الإنتاجية وغير فعالة.

خصائص أنابيب الكربون النانوية

ميكانيكي. الأنابيب النانوية، كما قيل، هي مادة قوية للغاية، سواء في الشد أو في الانحناء. علاوة على ذلك، وتحت تأثير الضغوط الميكانيكية التي تتجاوز الضغوط الحرجة، فإن الأنابيب النانوية لا "تنكسر"، بل يتم إعادة ترتيبها. واستنادًا إلى خصائص القوة العالية للأنابيب النانوية، يمكن القول بأنها أفضل مادة لكابل المصعد الفضائي في الوقت الحالي. كما تظهر نتائج التجارب والمحاكاة العددية، فإن معامل يونغ للأنابيب النانوية أحادية الجدار يصل إلى قيم تتراوح بين 1-5 طن باسكال، وهو أمر أكبر من الفولاذ. يوضح الرسم البياني أدناه مقارنة بين الأنابيب النانوية أحادية الجدار والفولاذ عالي القوة.

1 - وفقا للحسابات، يجب أن يتحمل كابل المصعد الفضائي ضغطا ميكانيكيا قدره 62.5 جيجا باسكال

2 - مخطط الشد (الإجهاد الميكانيكي y مقابل الاستطالة النسبية e)

لتوضيح الفرق الكبير بين أقوى المواد الحالية وأنابيب الكربون النانوية، دعونا نجري التجربة الفكرية التالية. لنتخيل، كما افترضنا سابقًا، أن كابل المصعد الفضائي سيكون عبارة عن هيكل متجانس معين على شكل إسفين يتكون من أقوى المواد المتوفرة اليوم، ثم سيكون قطر الكابل في GEO (مدار الأرض الثابت بالنسبة إلى الأرض) حوالي 2 كم و سوف تضيق إلى 1 ملم على سطح الأرض. في هذه الحالة ستكون الكتلة الإجمالية 60 * 1010 طن. ولو تم استخدام أنابيب الكربون النانوية كمادة، فإن قطر كابل GEO سيكون 0.26 ملم و0.15 ملم عند سطح الأرض، وبالتالي ستكون الكتلة الإجمالية 9.2 طن. كما يتبين من الحقائق المذكورة أعلاه، فإن ألياف الكربون النانوية هي بالضبط المادة اللازمة لبناء كابل، يبلغ قطره الفعلي حوالي 0.75 متر، وذلك لمقاومة النظام الكهرومغناطيسي المستخدم لتحريك المصعد الفضائي. الطائرة.

الكهرباء. نظرًا لصغر حجم أنابيب الكربون النانوية، لم يكن من الممكن قياس مقاومتها الكهربائية بشكل مباشر باستخدام الطريقة الرباعية إلا في عام 1996.

تم تطبيق خطوط ذهبية على السطح المصقول لأكسيد السيليكون في الفراغ. تم ترسيب الأنابيب النانوية بطول 2-3 ميكرومتر في الفجوة بينهما. بعد ذلك، تم تطبيق 4 موصلات تنغستن بسماكة 80 نانومتر على أحد الأنابيب النانوية المختارة للقياس. كان كل من موصلات التنغستن على اتصال بأحد شرائح الذهب. تراوحت المسافة بين نقاط التلامس على الأنبوب النانوي من 0.3 إلى 1 ميكرومتر. أظهرت نتائج القياسات المباشرة أن مقاومة الأنابيب النانوية يمكن أن تختلف ضمن حدود كبيرة - من 5.1*10 -6 إلى 0.8 أوم/سم. الحد الأدنى للمقاومة هو أمر أقل من مقاومة الجرافيت. تمتلك معظم الأنابيب النانوية موصلية معدنية، ويظهر جزء أصغر منها خصائص أشباه الموصلات مع فجوة نطاقية تتراوح من 0.1 إلى 0.3 فولت.

اكتشف باحثون فرنسيون وروس (من IPTM RAS، تشيرنوغولوفكا) خاصية أخرى للأنابيب النانوية، مثل الموصلية الفائقة. قاموا بقياس خصائص الجهد الحالي لأنبوب نانوي فردي أحادي الجدار يبلغ قطره حوالي 1 نانومتر، وعدد كبير من الأنابيب النانوية أحادية الجدار ملفوفة في حزمة، بالإضافة إلى الأنابيب النانوية الفردية متعددة الجدران. وقد لوحظ وجود تيار فائق التوصيل عند درجات حرارة قريبة من 4K بين اثنين من جهات الاتصال المعدنية فائقة التوصيل. تختلف ميزات نقل الشحنة في الأنابيب النانوية اختلافًا كبيرًا عن تلك المتأصلة في الموصلات العادية ثلاثية الأبعاد، ويبدو أنها تفسرها طبيعة النقل أحادية البعد.

كما اكتشف دي جير من جامعة لوزان (سويسرا) خاصية مثيرة للاهتمام: تغير حاد (حوالي ضعفين من حيث الحجم) في الموصلية مع انحناء صغير من 5 إلى 10 درجات لأنبوب نانوي أحادي الجدار. يمكن لهذه الخاصية توسيع نطاق تطبيقات الأنابيب النانوية. فمن ناحية، تبين أن الأنبوب النانوي عبارة عن محول جاهز وحساس للغاية للاهتزازات الميكانيكية إلى إشارة كهربائية وعكسية (في الواقع، هو عبارة عن سماعة هاتف يبلغ طولها عدة ميكرونات وقطرها حوالي نانومتر). ومن ناحية أخرى، فهو مستشعر جاهز تقريبًا لأصغر التشوهات. يمكن أن يجد هذا المستشعر تطبيقًا في الأجهزة التي تراقب حالة المكونات والأجزاء الميكانيكية التي تعتمد عليها سلامة الأشخاص، على سبيل المثال، ركاب القطارات والطائرات، والعاملين في محطات الطاقة النووية والحرارية، وما إلى ذلك.

شعري. أظهرت التجارب أن الأنابيب النانوية المفتوحة لها خصائص شعرية. لفتح الأنبوب النانوي، عليك إزالة الجزء العلوي - الغطاء. إحدى طرق الإزالة هي صلب الأنابيب النانوية عند درجة حرارة 850 درجة مئوية لعدة ساعات في تدفق ثاني أكسيد الكربون. ونتيجة للأكسدة، يصبح حوالي 10% من جميع الأنابيب النانوية مفتوحة. هناك طريقة أخرى لتدمير النهايات المغلقة للأنابيب النانوية، وهي نقعها في حمض النيتريك المركز لمدة 4.5 ساعات عند درجة حرارة 2400 درجة مئوية. ونتيجة لهذه المعالجة، يصبح 80% من الأنابيب النانوية مفتوحة.

أظهرت الدراسات الأولى للظواهر الشعرية أن السائل يخترق قناة الأنابيب النانوية إذا لم يكن التوتر السطحي لها أعلى من 200 ملي نيوتن / م. ولذلك، لإدخال أي مواد في الأنابيب النانوية، يتم استخدام المذيبات ذات التوتر السطحي المنخفض. على سبيل المثال، لإدخال الأنابيب النانوية لبعض المعادن في القناة، يتم استخدام حمض النيتريك المركز، الذي يكون التوتر السطحي له منخفضًا (43 ملي نيوتن / م). ثم تتم عملية التلدين عند درجة حرارة 4000 مئوية لمدة 4 ساعات في جو هيدروجيني مما يؤدي إلى اختزال المعدن. وبهذه الطريقة تم الحصول على الأنابيب النانوية التي تحتوي على النيكل والكوبالت والحديد.

إلى جانب المعادن، يمكن ملء الأنابيب النانوية الكربونية بمواد غازية، مثل الهيدروجين الجزيئي. ولهذه القدرة أهمية عملية لأنها تفتح إمكانية التخزين الآمن للهيدروجين، والذي يمكن استخدامه كوقود صديق للبيئة في محركات الاحتراق الداخلي. وتمكن العلماء أيضًا من وضع سلسلة كاملة من الفوليرينات داخل الأنبوب النانوي مع ذرات الجادولينيوم المدمجة فيها بالفعل (انظر الشكل 5).

أرز. 5. داخل C60 داخل أنبوب نانوي أحادي الجدار