Углеродные нанотрубки, нанокомпозиты

Углеродная нанотрубка (УНТ) - это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от 0,1 нм до нескольких 10^ков нанометров, состоящую из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных (геометрически похожих на пчелиные соты) графеновых плоскостей.
Это sp² наноуглеродные материалы с трубчатой ​​структурой, состоящей из скрученных листов графена.

Углеродные нанотрубки эффективно работают в качестве источников автоэмиссии.
Полупроводниковая разновидность углеродных нанотрубок станет ультраминиатюрными полевыми транзисторами, которые найдут применение как электронные устройства и химические датчики.
Ключевыми задачами в настоящее время являются синтез или разделение углеродных нанотрубок в соответствии с их конкретными электронными свойствами, чтобы они могли быть коммерчески жизнеспособными для предполагаемого применения.

УНТ обладают замечательными свойствами, некоторые из которых основаны на аналогичных свойствах графита, а некоторые - на их одномерных аспектах.
УНТ могут быть полупроводниками или металлами.

Преимущества нанотрубок:

• связь атомов углерода друг с другом в нанотрубках имеет рекордную прочность:
• механическая прочность на разрыв намного больше, чем у стали
  
• модуль Юнга нанотрубок более 1 ТПа (около 1 млн атмосфер - выше, чем у алмаза);
• теплопроводность в 8 раз выше, чем у меди;
• металлические УНТ могут переносить плотность электрического тока 4 × 10 ⁹ А/см ² , что более чем в 1000 раз превышает плотность электрического тока таких металлов, как медь;
  
• электропроводность не подчиняется закону Ома;
• из-за своей одномерной проводимости УНТ демонстрируют баллистический транспорт вдоль направления трубки, что приводит к высокой собственной подвижности, превышающей таковую у многих полупроводников.
  
• из-за своей уникальной трубчатой ​​структуры с малым диаметром УНТ имеют очень высокое соотношение сторон, иногда превышающее 1000, и большую площадь поверхности более 1300 м ² /г.;
• обладают высокой химической стабильностью и сопротивляются практически любому химическому воздействию, если только они не подвергаются одновременному воздействию высоких температур и кислорода
  
• форма нанотрубок позволяет:
  
• укладывать их двояко: хаотично или упорядоченно, - это влияет на свойства материалов,
• нанотрубки можно модифицировать, присоединять к ним различные химические группы и наночастицы - это также меняет свойства самих нанотрубок и материалов их них.

Наноструктурированные материалы

Наноструктурированные материалы делятся на 2 большие группы:

• материалы 1^й группы на 95-100% состоят из нанотрубок;
• материалы 2^й - нанокомпозиты - наоборот, нанотрубок содержат немного, до 5%.

К материалам 1^й группы относятся «монолитные» структуры из нанотрубок:

• покрытия, пленки и нанобумага из трубок;
• волокна из трубок;
• «лес» - нанотрубки, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно подложке.

«Монолитные» материалы не получили широкого распространения:

• из нанобумаги делают фильтры (в том числе для удаления вирусов или обессоливания воды), защиту от электромагнитного излучения, детали нагревателей, сенсоры, актюаторы, полевые эмиттеры, электроды электрохимических устройств, носители катализаторов и др.;
• прозрачные электропроводные пленки и покрытия конкурируют с твердым раствором оксидов индия и олова и способны заменять этот дорогой и хрупкий материал в приборах электроники, сенсорики и фотовольтаики;
• «лес» по набору свойств не имеет аналогов - это упругий, электро- и теплопроводный материал, способный принимать разные формы и подвергаться модифицированию. Его можно использовать для создания электродов суперконденсаторов, полевых эмиттеров и солнечных батарей, как компонент композитов на основе полимеров.

При этом растет производство материалов 2^й группы - нанокомпозитов, в основном полимерных.
Введение даже небольших количеств углеродных нанотрубок:

• заметно меняет свойства полимеров,
• придает электропроводность,
• повышает теплопроводность,
• улучшает механические характеристики, химическую и термическую устойчивость.

Созданы нанокомпозиты на основе десятков различных полимеров, разработано много способов их получения.
Широкое применение могут найти созданные на основе полимеров с нанотрубками композитные волокна.

Керамические композиты созданы на основе многих тугоплавких веществ, однако по промышленному освоению заметно уступают нанокомпозитам на основе полимеров.
Как и в случае полимеров, добавки небольших количеств нанотрубок:

• увеличивают электро- и теплопроводность,
• придают способность защищать от электромагнитного излучения,
• увеличивают трещиностойкость керамик.

Металлические композиты созданы с распространенными цветными металлами и сплавами.
Наибольшее внимание уделяется медным композитам, механические свойства которых в 2-3 раза выше, чем у меди.
Многие составы имеют повышенную прочность и твердость, меньшие коэффициенты термического расширения и трения.

Гибридные композиты обычно содержат 3 компонента:

• полимерные или неорганические волокна (ткани),
• нанотрубки,
• связующее (к этому классу относятся препреги).

С различными матрицами созданы также биокомпозиты.
Исследуются материалы для костных имплантатов, пленки для выращивания мышечных и костных тканей, сетчатки и эпителиальных клеток глаза, сетей нейронов, а также биофункциональные композиты и биосенсоры.