НАНОНАЙЧАҲОИ КАРБОНИИ ЯКДЕВОРДОР ВА ИСТИФОДАБАРИИ ОНҲО

Усули истифодаи нанонайчаҳои карбонии якдевора ба пиролизи газҳои дорои карбон (метан, пропан, бутан, оксиди карбон ва диоксид) асос ёфтааст. Бартарии ин усул дар он аст, ки пиролизи газҳои карбондор чунин ҳарорати баландро, ки барои бухоршавии графит зарур аст, талаб намекунад, ба хароҷоти баланди энергия алоқаманд нест ва метавонад бо истифода аз ашёи хоми арзони карбогидрид дар дастгоҳҳои химиявии муқаррарӣ амалӣ карда шавад. Фарқи байни ин усули синтези нанонайчаҳои карбонии якдевордор аз усулҳои мавҷуда дар интихоби параметрҳои раванд ва ҳисобҳои дақиқи равандҳои химиявӣ ва термофизикӣ мебошад. Дар синтез катализатори сахти никел истифода мешавад, ин раванд дар тамоми ҳаҷми қабати катализатори статсионарӣ дар ҳарорати наздик ба 700°C ба амал меояд. Раванди ташаккули нанонайчаҳои карбон метавонад бо истеҳсоли гидрогени пок ва махсусан, оби соф ҳамроҳ шавад. Дар асоси баҳодиҳии нишондиҳандаҳои техникӣ-иқтисодии раванди кимиёвӣ реактори лаборатории омезиши нанонайчаҳои карбонии якдевории карбон бо назорати суръати гардиши гази ба пиролиз ва фишор дучоршуда ва бо муқаррар намудани самти ҳарорат сохта шуд. Ин усул имкон медиҳад, ки нанонайчаҳои карбон бидуни ифлосиҳои дигар шаклҳои карбон (беш аз 98%-и тозагӣ дар ҳассосияти усулҳои таҳлилӣ) ба даст оварда шаванд, ки марҳилаҳои ҷудокунӣ ва тозакуниро бартараф месозанд ва арзиши маҳсулотро хеле кам мекунад (расми 1).                                                           Расм. 1. Нанонайчаҳои якдевордори карбон
Ягон усулҳои дигари маълуми ҳозира (камони барқӣ, қабати моеи CVD, CVD дар субстратҳо ва ғайра) [2–4] наметавонад, нанонайчаҳои карбонии якдевордори чунин дараҷаи тозагии баландро бидуни марҳилаи тозакунӣ (табобат бо кислота дар ҳарорати баланд, анолн ва ғайра) аз дигар шаклҳои карбон корбарӣ кунад.
Вобаста ба шароити раванд, диаметри нанонайчаҳои карбонии якдевордор 20-200 нм, дарозии он аз диаметраш чанд маротиба калонтар аст ва ба 3-7 мкм мерасад. Андозаҳои маъмулӣ: диаметри нанонайча 50-60 нм, ғафсии девор 15-20 нм, диаметри холигии дохилӣ 10-20 нм, майдони мушаххаси рӯйи намунаҳо 90-120 м2/г. Нанонайчаҳои карбонии якдевордор дар натиҷа нанозаррачаҳои никели катализатор доранд, ки ба фазои дохилӣ ворид карда шудаанд. Мувофиқи ESR ва усулҳои микроскопияи электронии интиқол, андозаи кластерҳои металлӣ ба нанонайчаҳо 10 нм аст [5]. Миқдори умумии Ni дар фазои дохили қубур мувофиқи усули аввала [6] (омезиши нанонайчаҳо пас аз обшавии об дар кислотаҳо ва муайянкунии миқдории никел дар маҳлул) муайян карда шуд. Мавҷудияти металли ферромагнитӣ дар фазои дохилии нанонайчаҳо ба хосиятҳои онҳо хеле таъсир мерасонад. Аз рӯйи хосиятҳои магнитии худ нанонайчаҳои ҳосилшуда ҳамчун маводи магнитии мулоим бо магнитизатсияи пасти боқимонда тасниф карда мешаванд. Барои хокаҳои нанонайчаҳои карбонии якдевораи омӯхташуда, магнитизатсияи мушаххаси боқимонда дар ҳудуди 0,1–1,0 SGSM/г, қувваи маҷбуркунӣ 10-35 Oe ва магнитизатсияи мушаххаси сершавӣ 0,2-2,2 воҳид аст. SGSM/г. Арзишҳои баланди маҷбуркунӣ хоси нанокластерҳои ягонаи никелӣ мебошанд. Нанокластерҳои сферикӣ бо андозаи 10 нм ва камтар аз ҳолати суперпарамагнитӣ хос мебошанд, аммо, тавре ки дар таҷриба нишон дода шудааст, монодоменҳои Ni хурдтар аз 10 нм дар нанонайчаҳои хосиятҳои ферромагнитӣ доранд.
Натиҷаҳои тадқиқот нишон медиҳанд, ки магнитизатсияи сершавии нанокластерҳои Ni аз рӯйи андоза бо магнити сершавии никел дар макронамунаҳо мувофиқат мекунад. Қабатҳои графен, ки деворҳои нанонайчаро ташкил медиҳанд, метавонанд аз ҳисоби системаи электронии умумӣ нанозарраҳои металлиро дар як системаи ягона муттаҳид кунанд. Хусусиятҳои магнитӣ аз магнитизми ҳам нанокластерҳои металлӣ ва деворҳои графени нанонайчаҳо ва таъсири синергистии таъсири мутақобилаи онҳо бо нанокластерҳои металлӣ дар дохили нанонайча мусоидат мекунанд. Омӯзиши хосиятҳои магнитии нанонайчаҳои карбонии якдевора, ки бо полианилин фаро гирифта шудаанд [7,8] хулосаро тасдиқ кард, ки байни нанонайчаҳои карбон ва нанокластерҳои металлии байниҳамдигарӣ таъсири мубодила вуҷуд дорад. Наноматериалҳои дорои хосиятҳои гуногуни ферро ва диамагнитиро ба даст овардан мумкин аст. Барои муқаррар намудани вижагии ферромагнетизм хосиятҳои магнитии нанонайчаҳо, ки аз металл бо усули вакууми термикӣ тоза карда шудаанд, омӯхта шуданд. Маълумот дар расми 2 нишон дода шудааст.
Расми 2. Хатҳои магнитизатсияи намунаҳои нанонайчаҳои карбон, ки бо никел пас аз коркарди вакууми гармӣ пайваст карда шудаанд.

Хатҳои магнитизатсияи намунаҳои нанонайчаҳои карбон, ки бо никел пас аз коркарди вакууми гармӣ пайваст карда шудаанд.
Нанонайчаҳои карбон, ки пас аз коркарди вакууми термикӣ сард мешаванд, хосиятҳои диомагнитӣ доранд. Ин барои нанонайчаҳое хос аст, ки металл надоранд [3]. Бузургии магнитизатсияи нанонайчаҳо аз шароити коркард вобаста аст: пас аз дучор шудан ба ҳарорати баланд, диомагнетизм зиёд мешавад. Фарқи ҳассосияти магнитии намунаҳои нанонайчаҳои карбонро вобаста ба шароити коркарди гармии вакуумӣ бо мавҷудияти ҷузъи парамагнитӣ дар заминаи диамагнетизми хоси карбон шарҳ додан мумкин аст. Дар ин сурат, аз афташ, нанонайчаҳо аз металл пурра тоза карда нашудаанд. Усули спектрометрияи атомии абсорбсионӣ дар нанонайчаҳо баъди коркарди вакууми термикӣ дар ҳарорати 1500°С миқдори муайяни металлро нишон дод; дар сурати дар 1900 °С коркард кардан миқдори микроэлементҳо ошкор карда мешавад. Аз афташ, пас аз чангкашаккунии термикӣ дар ҳарорати 1500°С ва баъдан ба ҳарорати хона хунук шудан, ҳолати магнитии нанокластерҳои никел бо тағйирёбии ҳарорат муайян карда мешавад ва энергияи тағйирёбии ҳароратӣ аз энергияи анизотропии хосиятҳои магнитӣ зиёдтар аст. Бо афзоиши минбаъдаи ҳарорат, ҳангоми коркарди гармӣ дар вакуум ҷузъи металлӣ сублиматсия мешавад, нанонайчаҳои аз металл тоза мегарданд ва намунаҳо диамагнитӣ мешаванд.
1-6 -вобастагӣ барои шеваҳои гуногуни коркард, мисол: 1500-60f — коркард дар 1500 °C барои 60 дақиқа дар форевакуум. 1 — 1900-120f, 2 — 1900-120f, 3 — 1800-60f, 4 — 1800-60f, 5 — 1500-120f, 1- 1500-60f.
Бояд қайд кард, ки нанокластерҳои инертии карбон муҳофизати табиии нанокластерҳои магнитӣ аз оксидшавӣ ва дигар таъсироти беруна буда, барои нигоҳ доштани сохтори беназири нанокластерҳо, мустаҳкам кардани он ҳангоми коркарди гармӣ мусоидат мекунанд. Ҳамин тариқ, имкон дорад, ки сохтор, ҳолати магнитӣ ва дигар параметрҳои магнитии нанонайчаҳои карбонро бо металҳои байниҳамдигарӣ бо роҳи коркарди вакууми термикӣ, инчунин, бо роҳи тағйир додани диаметри нанонайчаҳо дар ҷараёни синтез. Бо дарназардошти хусусияти якдомении нанокластерҳо ва устувории ҳолати магнитии металл, найчаҳои карбонӣ бо металлҳои байниҳамдигарӣ ҳамчун як синфи махсуси маводи магнитӣ тасниф карда мешаванд, ки ҳамчун расонаҳои магнитӣ самаранок мебошанд ва зичии баланди сабти иттилоотро таъмин мекунанд. Аз сабаби хурд будани нанокластерҳо, тағйирёбии босуръати магнитизатсияи онҳо дар майдони беруна аз ҳисоби гардиши вектори моменти магнитии нанокластери инфиродӣ имконпазир аст ва ба ин васила, талафоти баръакси магнитизатсия дар мавод дар диапазони басомадҳои баланд ва ултрабаланд кам мешавад.
Нанонайчаҳои карбонӣ бо металлҳои гуногуни байниҳамдигарӣ ҳамчун ҷузъи магнитӣ дар эҷоди маводи композитӣ барои маҳсулоти радиотехника (антеннаҳо, трансформаторҳо, филтрҳо, схемаҳои резонансӣ ва ғайра) умедбахшанд. Хусусиятҳои магнитӣ, инчунин, метавонанд барои идоракунии раванди истеҳсоли нанонайчаҳои якдевордор бо хосиятҳои дилхоҳ истифода шаванд. σ гузаронии барқи нанонайчаҳои карбон бо истифода аз усуле омӯхта шуд, ки дар он арзиши σ аз талафоти диэлектрикии матҳои прессшудаи нанонайчаҳо дар басомадҳои 3-30 ГГц муайян карда мешавад. Қобилияти электрикии тахтачаҳои нанонайча, ки бо усули чор электроди стандартӣ чен карда мешавад, нисбат ба арзише, ки аз талафоти диэлектрик ба даст омадааст, 2-10 маротиба камтар аст [7, 9]. Ин аз он сабаб аст, ки муқовимати тамос байни нанонайчаҳои алоҳида, аз сабаби диаметри хурд ва сахтии онҳо, метавонад назаррас бошад, аз муқовимати электрикии худи нанонайча чанд маротиба зиёдтар бошад. Ногузаронии барқ ва хосиятҳои магнитии нанонайчаҳои карбон аз шароити истеҳсоли онҳо вобаста аст. Бо тағйир додани шароити синтез имкон дорад, ки гузаронии электрро аз 8 то 1300 С/см бештар аз ду маротиба тағйир дод.
Хусусиятҳои магнитӣ ва барқии нанонайчаҳои карбон имкон медиҳанд, ки ҷудокунии магнитӣ ва электромагнитии онҳо амалӣ карда, гароиши нанонайчаҳо дар матритсаи полимерӣ назорат карда шавад ва ин имкон медиҳад, то мувофиқи вазифаи дарпешистода як маводи мушаххас эҷод карда шавад. Барои таъмини мутобиқат бо матритсаи нанонайчаҳои карбони якдевордор онҳо аз ҷиҳати кимиёвӣ тағйир дода мешаванд. Нанонайчаҳои карбонии якдевордор бо сахтии хеле баланд ва муқовимат ба зангзанӣ хос мебошанд (ҳалнашаванда дар обҳои обӣ ё маҳлулҳои консентратсияи силтӣ). Онҳоро барои сохтани ҳалқаҳои муҳри механикӣ барои компрессорҳо истифода бурдан мумкин аст, ки моеъҳо ва газҳои хашмгинро ба худ мекашанд.
Масоҳати калони рӯйи нанонайчаҳо қобилияти баланди адсорбатсияи онҳоро таъмин мекунад. Онҳо сулфиди гидроген, дуоксиди сулфур, меркаптанҳо, дисулфидҳо, диоксинҳо, хлор, фтор, аммиакро ба таври самарабахш азхуд мекунанд. Ҳамин тавр, қобилияти адсорбатсионии аммиак 10-16 см3/г мебошад. Нанонайчаҳои карбонии якдеворро барои эҷоди мавод ва дастгоҳҳои баландсифати композитӣ, барои мақсадҳои гуногун истифода мебаранд. Суспензияҳои устувори консентратсияи додашудаи найчаҳои карбонии якдевордор ба даст оварда шудаанд, ки онҳо ҳамчун моеъҳои магнитӣ, барои электродҳои рӯпӯш, ҳамчун пуркунанда дар навъҳои гуногуни матритсаҳо хидмат карда метавонанд. Усули бо нанонайчаҳои карбон мустаҳкам намудани риштаҳои нахи синтетикӣ кор карда баромада шудааст. Тавассути дигаргунсозии нахи синтетикии «Русар-С» (ООО АЭС «Термотекс») бо нанонайчаҳои карбонии як девораш ултрамустаҳкам (тоби кашиш σ = 620 кг/мм2) материали композитие ба даст омад, ки хусусиятҳои мустаҳкамӣ дорад. Бо сабаби тағйир додани нанонайчаҳо, модули нахи Янг нисбат ба маводи аслӣ 20% зиёд шуд [10, 11]. Ба полимерҳо ҷорӣ намудани нанонайчаҳои карбони якдевордор имкон медиҳад, ки хосиятҳои мустаҳкамии онҳо беҳтар карда шавад.
Ҳамин тариқ, вақте ки танҳо 1%-и найҳои якдевори карбон ба полиэтилении зичии баланд ворид карда мешаванд, модули чандирии маводи таркибии ҳосилшуда ду баробар меафзояд. Бо ба кор андохтани нанонайчаҳои карбони якдевордор хосиятҳои трибологии масолеҳ ва маҳсулоти фриксионии аз онҳо сохташуда, хеле тағйир меёбанд. Ҳамин тариқ, коэффисиенти соиш, ҳангоми тамоси плитаҳои полиэтилении зичии баланд бо нанонайчаҳои карбонӣ бо муқобили гардиши ғайримуқаррарӣ бо суръати баланд (0,87 ва 1,74 м/с) нисбат ба коэффисиенти соиш барои полимери аслӣ 80% кам мешавад. [11]. Тағйир додани мавод бо нанонайчаҳои карбони якдевордор соҳаҳои нави татбиқи онҳоро мекушояд. Масалан, мавод, аз ҷумла, нанонайчаҳоии карбон, ки нигаронида шудаанд, метавонанд, ҳамчун агрегатҳои муҳри ниҳоӣ ва радиалӣ истифода шаванд, ки дар шароити шадид кор мекунанд (фриксияи хушк, суръати баланд (тақрибан 1,8 м/с) ва ҳарорат) [12]. Қабати антистатикии аз ҷиҳати оптикӣ шаффоф ба даст оварда шудааст, ки дар асоси бастаи эпоксидӣ ва нанонайчаҳои карбонии якдевордор асос ёфтааст. Кори дастгоҳ ба сабти ҳамзамон чаҳор параметри электрофизикӣ асос ёфтааст [13]. Наносенсор имкон медиҳад, ки консентратсияи ҳадди ақалли чор газ дар омехта муайян карда шавад, аз ҷумла: гидроген (0,001-1%), оксиди карбон (0,0001-1%), оксиди карбон (0,0001-1%), метан (0,001- 1%). Вақти вокуниши сенсор камтар аз 1 с, вақти барқароршавӣ камтар аз 60 с, хатогии андозагирӣ камтар аз 50% (аз маҳдудияти поёнии андозагирӣ). Барои истеҳсоли сенсорҳои зондӣ барои сканкунии нақб, қувваи атомӣ ва микроскопияи магнитӣ, ки элементи кории он нанонайчаи якдевордори карбонӣ бо нӯги кунҷдор, ки бо зонди кантилверӣ коаксиалӣ ҷойгир шудааст, усул ва дастгоҳи таҷрибавӣ таҳия карда шудааст [14, 15]. Дар муқоиса бо усулҳои мавҷудаи эҷоди зондҳо бо истифода аз нанонайчаҳои карбон, он имкон медиҳад, ки зонд бо як нанонайча бидуни хароҷоти зиёд тавлид шавад. Хусусияти он усули аслии ҷойгиркунии нанонайча дар нӯги зонд мебошад [14]. Маслиҳатҳои натиҷавӣ барои микроскопи нақби сканерӣ ҳалли баланди фазоиро таъмин мекунанд: 2–6 нм дар ҳамвории сатҳи намуна ва то 2 Å дар баробари меҳвари амудӣ ба сатҳи намуна. Технологияи истеҳсоли сӯзан бо такрорпазирии хуб хос аст: камтар аз 10%-и сӯзанҳо нуқсонҳо доранд, ба монанди асимметрияи нуқта ва нуқтаи дукарата. Сӯзанҳое, ки бо нанонайчаҳои карбон тағйир дода шудаанд, ба қувва тобоваранд. Сканкунии дарозмуддат сифати тасвирро беҳтар мекунад. Сенсорҳои зондӣ барои микроскопи қувваи атомӣ [16], ки бо нанонайчаҳои карбонии якдевордор тағйир дода шудаанд, низ сохта шудаанд. Иқтидори онҳо қад-қади меҳвари перпендикуляр ба сатҳи ашё ~3 Å аст; Кунҷи конвергенсия, ки аз тасмаҳои санҷишӣ ҳисоб карда шудааст, 20° аст. Барои истеҳсоли сӯзанҳое, ки бо нанонайчаҳои карбонӣ барои микроскопи сканерии нақбсозӣ тағйир дода шудаанд ва тағйир додани кантилверҳо барои микроскопи қувваи атомӣ таҷҳизоти мураккаб ва гаронбаҳо лозим нест, раванди истеҳсоли зондҳои тағйирёфтаро ба осонӣ механиконидан ва автоматӣ кардан мумкин аст. Барои сохтани якчанд ҳазор зонд тақрибан 1г нанонайчаи карбонии якдевордор истифода мешавад. Дар асоси техникаи таҳияшуда нановизерҳо ва нанопипетаҳоро сохтан мумкин аст.
Дар айни замон, эҳтиёҷ ба истеҳсоли саноатии нанонайчаҳои карбонии якдевордор бо талабот ва мавҷуд набудани бозори пешрафтаи истеъмоли онҳо дар ҷаҳон маҳдуд аст. Дар ҳамин ҳол, татбиқи эҳтимолии онҳо баргирифта аз электроника, саноати кайҳонӣ, тиб ва саноати сохтмон васеъ мешавад. Ин далел шаҳодат медиҳад, ки дар солҳои охир дар таҳқиқи хусусиятҳои бунёдии рафтори чунин объектҳои экзотикӣ ва ояндадор дар шароитҳои гуногун авҷи ҳақиқии инкишоф ба вуҷуд омад [17-28].
Адабиёт:
1. Томишко М.М., Алексеев А.М. и друг… Нанотехника, 2004, № 1, с. 10 — 15.
2. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. М.: Техносфера, 2003, 336 с.
3. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2004, с.328.
4. Киселев Н.А., Жигалина О.М. и друг… Нанотехнологии и наноматериалы, 2005, № 1, с. 37.
5. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Матер. четвертой Междунар. конф. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 26 – 28 октября 2005 г., Москва, МГУ им. М.В.Ломоносова, с. 199.
6. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Нанотехника, 2005, № 1, с. 4 – 8.
7. Kazantseva N.E., Stejskal J., Sapurina I., Vilčáková J., Tomishko M.M., Demicheva O.V., Sáha P. The International Conference on Science and Material Mechanics at the Nanoscale, (NANOMEC-06), November 19—23, 2006, Bari, Italy, 155—156.
8. Konyushenko E.N., Kazantseva N.E., Stejskal J., Trchová M., Kovářová J., Sapurina I., Tomishko M. M., Demicheva O.V., Prokeš J. GMMM, 2008, v. 320, № 3+4, p. 231—240.
9. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Матер. 7-ой Всерос. конф. «Физико-химия ультрадисперсных (нано-) систем», Ершово, Московская обл., 22—24 ноября 2005 г., с. 89.
10. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Тез. докл. конференции «Нанотехнологии — производству-2006», 29 – 30 ноября 2006 г., Фрязино, с. 183 – 184.
11. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Научная сессия МИФИ-2007. Сб. науч. тр., 2007, т. 9, с. 195 – 197.
12. Томишко М.М., Демичева О.В. и друг… Матер. XIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 23 – 28 сентября 2007, Москва.
13. Жукова С.А., Обижаев Д.Ю. и другии Нано-и микросистемная техника, 2007, № 4, с. 60 – 64. 14. Заявка на патент № 2006133011, 2006.
15. Томишко М.М., Алексеев А.М., Клинова Л.Л., Томишко А.Г., Демичева О.В., Чмутин И.А. Нанотехника, 2006, № 1, с. 15—17.
16. Демичева О.В., Мешков Г.Б. и друг… Российские нанотехнологии, 2008 (в печати).
17. Iijima S. Nature, 1991, № 354(7), p. 56—58.
18. Thostenson Erik T., C.L., Tsu-Wei Chou Composites Science and Technology, 2005, № 65, p. 491 – 516.
19. Wong S.S., Joselevich E., Woolley A.T., Cheung C.L., Lieber C.M. Nature, 1998, v. 394, p. 52.
20. Киселев Н.А., Жигалина О.М., Артемов В.В., Григорьев Ю.В. Нанотехнологии и наноматериалы, 2005, № 1, с. 37.
21. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е. Природа, 2004, № 5, с. 26—34.
22. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применение. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2006, 293 с.
23 Kin-Tak Lau, D.H. Composites Part B: engineering, 2002, № 33, p. 263—277. 24. Ami Eitan, K.J., Doug Dukes, Rodney Andrews, Linda S. Chem. Mater., 2003, № 15, p. 3198—3201.
25. Мэтьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М.: Техносфера, 2004, 408 с.
26. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004, 144 с.
27. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005, 340 с.