طريقة جديدة لإنشاء الأنابيب النانوية: الآن بالألوان

أصبحت الأنابيب النانوية الكربونية جزءًا لا يتجزأ من التكنولوجيا الحديثة. وقد خدم ذلك من خلال خصائصها الميكانيكية والإلكترونية ، وكذلك أحجام النانومتر. تُستخدم هذه المادة في العديد من المجالات: من البطاريات إلى شاشات العرض. تعتمد جودة الأنابيب النانوية ، إلى حد كبير ، على مؤشر chirality (عندما لا يكون هناك تناظر بين الجانبين الأيمن والأيسر). كلما انخفض هذا المؤشر ، كان الأنبوب النانوي أفضل. هناك بالفعل العديد من الخيارات لإنشاء أنابيب نانوية ، وكلها تعمل. لكن هذا لا يعني أن بعض المتحمسين لن يحاولوا ابتكار طريقتهم الجديدة ، والتي ستكون أفضل من أسلافهم. هذا ما سيتم مناقشته في الدراسة ، حيث سنتعامل معك. دعنا نذهب.

الخلفية

بادئ ذي بدء ، تذكر أنه يوجد أنبوب كربون نانوي. يمكن فهم ذلك ببساطة باسم هذه المادة. أولاً ، إنه هيكل أسطواني (أنبوب) للطائرات من الجرافيت ، يمكن أن تكون أبعاده بترتيب عدة نانومتر. هناك نوعان رئيسيان من الأنابيب النانوية: أحادي الجدار ومتعدد الجدران (الصورة أدناه).



في دراسة اليوم ، سنتحدث عن جدار واحد. من أجل مقارنة الطريقة الجديدة لإنشاء الأنابيب النانوية ، يستشهد الباحثون بالعديد من الطرق الحالية كمثال يمكن أن يحقق توزيعًا منخفضًا للشيليانية ، وهو أمر مهم للغاية للأنابيب النانوية. الطريقة الأولى - المعالجة بعد الاصطناعية - تعتمد في الغالب على مثل هذه التقنيات:

• كروماتوغرافيا التبادل الأيوني * (IEX) للأنابيب النانوية أحادية الجدار الملتوية كحمض نووي ؛
• الطرد المركزي المتدرج الكثافة * (DGU) ؛
• كروماتوغرافيا استبعاد الحجم * ؛
• فصل المياه على مرحلتين * .

كروماتوغرافيا التبادل الأيوني * - طريقة لفصل الأيونات والجزيئات القطبية على أساس شحنات الجزيئات المنفصلة.

الطرد المركزي المتدرج الكثافة * - فصل الجزيئات الكبيرة بناءً على توزيعها في أجزاء مختلفة من التدرج في الكثافة.

كروماتوغرافيا الإقصاء الحجمي * - فصل الجزيئات بالحجم بسبب قدرتها الممتازة على اختراق مسام الطور الصلب (أو السائل) المرتبط بحامل خامل.

فصل المياه على مرحلتين * - توزيع الجسيمات بين أطوار نظام المياه على مرحلتين.

ترتبط جميع التقنيات المذكورة أعلاه بطريقة أو بأخرى بحل شيء ما في شيء ما. يعتقد الباحثون أن هذه مشكلة كبيرة ، لأن العينة قد تكون ملوثة أثناء الذوبان. وهذا سيؤثر سلبًا على جودة الأنبوب النانوي ، ونتيجة لذلك ، وخصائصه.

الطريقة الثانية هي النمو المباشر للأنابيب النانوية أحادية الجدار. وهو ، حسب العلماء ، خالي من مشكلة التلوث المذكورة أعلاه. تستخدم الأنابيب النانوية المتنامية مقاطعها الفردية والغرسات الجزيئية الكربونية والمحفِّزات. العيب الرئيسي للنمو هو تعقيد هذه العملية ونتيجة صغيرة.

هناك طريقة أخرى لإنشاء الأنابيب النانوية ، والتي ، للوهلة الأولى ، خالية من العيوب ، هي ترسيب البخار الكيميائي مع محفز عائم (FC-CVD). يمكن إنتاج الأنابيب النانوية بهذه الطريقة بسرعة وبكميات كبيرة ، ولن تتأثر خصائصها بالتغيرات السلبية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تجميع الأنابيب النانوية على مرشح غشاء لتكوين أغشية رقيقة جاهزة للاستخدام. يبدو كل شيء ورديًا جدًا ، ولكن هنا تكمن لحظة صعبة. لكونها في وسط أيروسول ، يمكن أن تؤدي المحفزات إلى صعوبات في عملية النمو الانتقائي للأنابيب النانوية ذات انخفاض chirity. يمكن حل هذه المشكلة عن طريق إدخال كمية صغيرة من NH ₃ ، والتي يمكن أن تضيق توزيع مراوان. ومع ذلك ، يمكن أن تلوث ذرات N الأنابيب النانوية في درجات حرارة عالية ، وبالتالي تغيير خصائصها الإلكترونية.

أيًا كانت الطريقة التي لا تأخذها بعين الاعتبار ، سيكون هناك دائمًا نوع من العيوب غير السارة التي يُحسب حسابها. ومع ذلك ، اقترح الباحثون خيارًا عندما يمكنك تجنب المشاكل المذكورة أعلاه.

إنشاء العينة والنتائج

قرر العلماء عدم التوصل إلى طريقة جديدة لإنشاء الأنابيب النانوية ، ولكن لتحسين الطريقة الحالية ، وهي ترسيب البخار الكيميائي باستخدام محفز عائم. تبين أن طريقة التحسين بسيطة للغاية - بإضافة كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون.

والآن بالترتيب. تم تصنيع الأنابيب النانوية أحادية الجدار من ثاني أكسيد الكربون (مصدر الكربون) بمعدل تدفق الحجمي 350 سم ³ / دقيقة. عمل الفيروسين ((η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ Fe) كعامل حفاز ، يحمله تيار من CO عند 50 سم ³ / دقيقة.

تم تعديل عملية نمو الأنابيب النانوية عن طريق إدخال أحجام مختلفة من ثاني أكسيد الكربون في المفاعل بتدفق حجم 0 و 1 و 1.5 و 2.0 سم ³ / دقيقة ، وهو ما يتوافق مع هذه الكميات الحجمية: 0 ، 0.25 ، 0.37 ، و 0.50٪. كانت درجة الحرارة 850 أو 880 درجة مئوية.


مخطط تشغيل المفاعل

أدى إدخال حجم مختلف من ثاني أكسيد الكربون إلى حقيقة أنه تم الحصول على أفلام من أنابيب نانوية بألوان مختلفة. هذا واضح في الصورة أدناه. تم الحصول على هذه الأفلام عند درجة حرارة 850 درجة مئوية.



بعد إجراء الفحص المجهري الإلكتروني وطيف الأشعة السينية المشتتة للطاقة ، وجد العلماء أن اختلاف اللون لا يؤثر بأي شكل من الأشكال على الأداء الكلي للجسيمات النانوية وحجمها. كما تم الكشف عن أن العينات عالية النقاء.


الفحص المجهري للإلكترون (أ ، ب ، ج) والميكروسكوب ذو المجال المظلم (د ، هـ ، و) لثلاث عينات ذات أجزاء مختلفة من ثاني أكسيد الكربون.

كما يعتمد متوسط ​​قطر الأنابيب النانوية بشكل مباشر على تركيز ثاني أكسيد الكربون. لذلك بالنسبة لل 0 و 0.25 و 0.37 و 0.50٪٪ ، كان متوسط ​​القطر 1.1 و 1.3 و 1.8 و 1.9 نانومتر على التوالي.

نظرًا لحقيقة أن لون الفيلم وقطر الأنابيب النانوية يعكسان تركيز ثاني أكسيد الكربون ، فمن المنطقي افتراض أن هذا الشوائب بطريقة أو بأخرى يغير خصائص الأنابيب النانوية نفسها.

في العينة الخضراء (0.25 vol.٪) ، لوحظت تغيرات حادة واضحة للغاية في معامل الامتصاص عند طول موجة يبلغ حوالي 610 نانومتر ، وفي العينة البنية (0.37 vol.٪) - عند 760 نانومتر.


طيف الامتصاص للعينات بكميات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون.

لكن الصور الأخرى (0 و 0.5٪.٪) ، التي لم يلاحظ فيها مثل هذه القفزات ، ليس لها لون مشرق ، لكنها تبقى رمادية.

للنظر بشكل أعمق في اعتماد توزيع chirality (ن ، م) على تركيز ثاني أكسيد الكربون ، تم إجراء تحليل حيود إلكتروني للعينة.


تحليل الحيود الإلكتروني

الصورة أعلاه ( أ ) هي صورة نموذجية لأنبوب نانوي أحادي الجدار ، والصورة ب هي صورة حيود الإلكترون (EDP) لهذا الأنبوب النانوي. بعد تحليل تباعد الأسطر ، تم إنشاء مؤشر chirality - (16.13).


تحليل الحيود الإلكتروني للعينة 0 و 0.25 vol.٪.

أظهر إجراء نفس التحليل لعينات العمل (الصور أعلاه) نتائج أفضل بكثير: (8.7) و (11 ، 9).

مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون _، يزداد قطر الأنابيب النانوية أيضًا. مع جزء حجم من CO ₂ من 0.25 vol. ٪ ، القطر 1.0 - 1.5 نانومتر. يرتبط هذا المؤشر مباشرة بمعدل الامتصاص للعينة.

اتضح أنه مع القطر الأمثل للأنبوب النانوي ومؤشر جيد إلى حد ما لتوزيع chirality ، فإن العينة لها لون أخضر. خلاف ذلك ، نلاحظ لون رمادي. يجب أن ترتبط هذه الملاحظة بتركيز ثاني أكسيد الكربون ، أي أن الحجم الأمثل لها هو٪ 0.25.

مؤشر آخر لهيكل الأنبوب النانوي هو زاوية chirality (الزاوية بين اتجاه الطي والاتجاه الذي يكون فيه السداسيات المتجاورة جانب مشترك).


للحصول على الأنبوب ، أي لطي مستوى الجرافيت ، تحتاج إلى قطع الأخير في خطوط متقطعة ولفه على طول المتجه R.

أظهرت جميع العينات قيد الدراسة (0 ، 0.25 ، 0.50) زاوية إيماءة مرضية تمامًا من 20 درجة إلى 30 درجة.

تم إجراء تحليل حيود الإلكترون أيضًا للتحقق من الخصائص الإلكترونية لحزمة الأنابيب النانوية. كما اتضح ، كان لجميع الأنابيب في الحزمة زوايا chirality مختلفة: 3.1 درجة ، 18.9 درجة ، 26.1 درجة.


تحليل الحيود الإلكتروني لمجموعة من الأنابيب النانوية.

تم اكتشاف حقيقة مثيرة للاهتمام أيضًا: مع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون من 0 إلى 0.50 ، زادت النسبة المئوية للأنابيب النانوية المعدنية (أي الموصلية الكهربائية) من 29.8 إلى 46.3٪. ومع ذلك ، عندما وصل التركيز إلى 1.23٪.٪ ، انخفضت جودة الأنابيب النانوية بشكل كبير.

تلعب درجة الحرارة دورًا مهمًا بنفس القدر في عملية إنشاء الأنابيب النانوية. في درجات الحرارة المرتفعة ، يمكن تقليل معدل تحلل CO (أساس الأنابيب النانوية في هذه الدراسة). سيوفر هذا فرصة للتحكم بشكل أفضل في عملية التوليف مع توزيع مراوان أقل.


الاختلافات في chirality من (أ) وقطر (ب) من الأنابيب النانوية عند 0.25 المجلد. ٪ CO ₂ ودرجة حرارة 880 درجة مئوية.

مقارنة هذه المؤشرات بمؤشرات مماثلة ، ولكن عند درجة حرارة 850 درجة مئوية ، يمكن ملاحظة أن chirality كانت أقل بكثير ، وتركزت حول (11.9). ويختلف قطر معظم الأنابيب (أكثر من 98٪) في نطاق 1.2-1.5 نانومتر ، وهو نتيجة ممتازة لهذه الدراسة.

تقرير من العلماء حول أبحاثهم متاح هنا . والمواد الإضافية (الرسوم البيانية والصور والجداول ، وما إلى ذلك) هنا .

الخاتمة

يقول العلماء بصدق أنه لا يزال هناك الكثير مما يتعين التحقق منه. بالنسبة لبعض المؤشرات ، مثل الموصلية الكهربائية والقطر ، في العينات التي لا تحتوي على ثاني أكسيد الكربون ومع ثاني أكسيد الكربون ليست مثيرة للإعجاب لدرجة أنها متأكدة بنسبة 100٪ من النصر غير المشروط. ومع ذلك ، من الواضح أنه لا يمكن إنكار أهمية استخدام ثاني أكسيد الكربون في عملية إنشاء أنابيب كربونية أحادية الجدار. تتطلب هذه التقنية مزيدًا من الدراسة والتحسين.

من بين أمور أخرى ، تمكن العلماء من إنشاء أنابيب نانوية بنجاح ، تختلف أفلامها في اللون بسبب الاختلافات في الخصائص. يؤدي التركيز المختلف لثاني أكسيد الكربون إلى تغيير قطر الأنابيب النانوية ومؤشرات chirality ، والتي يمكن أن تؤدي إلى العديد من خيارات الألوان للأفلام: الأخضر والبني والرمادي. يفتح تنوع الألوان لهذه المواد طرقًا جديدة لتطبيقها ، ولكن التغييرات ستحدث أيضًا في الطرق الحالية.

هذه الدراسة هي مثال حي على نهج استثنائي ومبتكر لحل القضية "القديمة" وإثبات الحقيقة المعروفة "كل شيء بسيط".

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).

3 أشهر مجانًا عند الدفع مقابل Dell R630 جديد لمدة ستة أشهر - 2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD أو 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - من 99.33 دولارًا في الشهر ، حتى نهاية أغسطس فقط ، اطلب يمكن أن يكون هنا .

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟