Ածխածնային նանոխողովակներ

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Պտտվող ածխածնային նանոխողովակ

Ածխածնային նանոխողովակներ (ԱԾՆ), ածխածնի ալոտրոպ ձևափոխություններից են։ Սրանք նանոմետրական չափսերի գլանաձև մոլեկուլներ են, որոնց երկարություն – տրամագիծ հարաբերությունը կարող է հասնել մինչև 132.000.000:1: Սա գրանցված ամենամեծ արժեքն է ներկայիս հայտնի նյութերի համար։ Շնորհիվ իրենց բացառիկ հատկությունների, նանոխողովակները մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում էլեկտրոնիկայի, օպտիկայի, նանոտեխնոլոգիաների և այլ բնագավառների համար։

ԱԾՆ-ի կառուցվածքը սովորաբար նկարագրվում է գրաֆենի շերտերի օգնությամբ, որոնք ենթարկվում են երկրաչափական ձևափոխությունների՝ գլանաձև կառուցվածք ստանալու համար։ Գլանի տրամագիծը և ձևափոխման դիսկրետ(քիրալ) անկյունը որոշում են նանոխողովակի հատկությունները։ Օրինակ՝ դրանցից է կախված նանոխողովակը մետաղական է, թե կիսահաղորդչային։ Ըստ շերտերի քանակի նանոխողովակները դասակարգվում են երկու խմբի՝ միաշերտ և բազմաշերտ։ Սովորաբար բազմաշերտ նանոխողովակները լինում են մետաղական։ Միաշերտ նանոխողովակների կարող են լինել և մետաղական, և կիսահաղորդչային։

Նանոխողովակներում ածխածնի ատոմները կապված են sp2 կապերով, որի շնորհիվ նանոխողովակերում միջատոմական կապերը ավելի ուժեղ են քան ադամանդներում կամ ալկաններում(sp3 կապ)։

Միաշերտ ԱԾՆ[խմբագրել]

Ածխածնային նանոխողովակի կառուցվածքի նկարագրությունը գրաֆենի շերտի օգնությամբ: a1 և a2 - ը գրաֆենի բյուրեղական ցանցի միավոր վեկտորներն են: Ch - ը ցույց է տալիս գրաֆենի շերտի փաթաթման ուղղությունը: T - ն համընկնում է նանոխողովակի առանցքի հետ:

Սովորաբար միաշերտ ածխածնային նանոխողովակները ունենում են 1նմ կարգի տրամագիծ, իսկ երկարությունը կարող է լինել միլիոնավոր անգամներ մեծ։ Սրանք նկարագրվում են գրաֆենի մեկ շերտի օգնությամբ։ Գրաֆենի շերտի ձևափոխությունները տրվում է (m, n) թվերի զույգին օգնությամբ։ m և n թվերը գրաֆենի բյուրեղական ցանցը բնութագրող միավոր վեկտորների գործաաակիցներն են։ Եթե m=0 դեպքում նանոխողովակները անվանանում են զիգազագաձև(zigzag), n=m՝ բազկաթոռային(armchair), մնացած դեպքերում՝ քիրալ(chiral)։ Նանոխողովակի տրամագիծը տրվում է հետևյալ բանաձևով՝

 d = \frac{a}{\pi} \sqrt{(n^2 + nm + m^2)}

որտեղ՝ a = 0.246 նմ։

Միաշերտ ածխածնային նանոխողովակները մեծ հետաքրքրություն են ներկայացնում, քանի որ նրանց հատկությունների մեծ մասը ոչ մոնոտոն կերպով փոփոխվում են արժեքների լայն տիրույթում՝ կախված (m, n) թվերից։ Օրինակ՝ արգելված գոտին կարող է փոփոխվել 0-ից մինչև 2 էվ որի արդյունքում նանոխողովակները կարող են լինել մետաղական կամ կիսահաղորդչային։

Բազմաշերտ ԱԾՆ[խմբագրել]

Ըստ կառուցվածքի բազմաշերտ նանոխողովակները դասակարգվում են երկու խմբի։ Առաջին խմբի ներկայացուցիչների կառուցվածքը նկարագրվում է համակենտրոն, տարբեր տրամագծերով միաշերտ նանոխողովակների միջոցով։ Սովորաբար այս խմբի ներկայացուցիչները ունեն մետաղական հատկություններ, քանի որ միաշերտ նանոխողովակներից գոնե մեկի մետաղական լինելու հավանականությունը մեծ է։ Երկրորդ խմբի ներկայացուցիչները նկարագրվում են գրաֆենի շերտի օգտնությամբ, որը պարուրված է իր շուրջ։

Ստացման եղանակներ[խմբագրել]

Գոյություն ունեն ածխածնային նանոխողովակների ստացման տարբեր եղանակներ` Էլեկտրական պարպման, լազերային, քիմիական(CVD) և այլն։

Էլեկտրական պարպման եղանակ[խմբագրել]

Ածխածնային նանոխողովակները դիտարկվել են ածխածնի էլեկտրոդների մրի մեջ 1991 թվականին։ Կատարված փորձի ժամանակ 100Ա հոսանք է բաց թողնվել, ֆուլերեններ ստանալու նպատակով։[1][2] Ածխածնային նանոխողովակների առաջին մակրոսկոպիկ ստացումը կատարվել է NEC - ի հիմնարար հետազոտությունների լաբորատորիայի երկու հետազոտողների կողմից 1992 թվականին։[2] Նրանք օգտագործել են նույն 1991 թվականի ածխածնային նանոխողովակների ստացման եղանակը։ Այս եղանակի ժամանակ ածխածինը կարծրանում է բացասական էլեկտրոդի վրա, էլեկտրական պարպմամբ պայմանավորված բարձր ջերմաստիճանի պատճառով։ Սա ամետատարածված եղանակն է, քանի որ նանոխողովակները առաջին անգամ դիտարկվել են այս եղանակի օգնությամբ։ Արդյունքում ստացվում են միաշերտ և բազմաշերտ մինչև 50մկմ երկարությամբ ածխածնային նանոխողովակներ, սկղբնական ածխածնի հումքի մինչև 30% զանգվածի չափով։

Հնարավոր կիրառություններ[խմբագրել]

  • Մեխանիկական կիրառություններ` գերամուր թելեր, կոմպոզիտային նյութեր, նանոկշեռքներ։
  • Կիրառություններ էլեկտրոնիկայում` տրանզիստորներ, նանոլարեր, մարտկոցներ։
  • Կապիլյար կիրառություններ` պատիճներ ակտիվ մոլեկուլների համար, գազի գլանանոթներ։
  • Կիրառություններ օպտիկայում` լուսադիոդներ, մոնիտորներ։
  • Գրանցման սարքեր` գազի տվիչներ։
  • Ակուստիկայում` բարձրախոսներ։

Հետաքրքիր փաստեր[խմբագրել]

Ցիկլոպարաֆենիլեն
  • Գրանցված ամենաերկար նանոխողովակը ունի 18.5 սմ երկարություն։ Այսպիսի երկար նանոխողավակները աճեցվել են սիլիցիումի տակդիրի վրա, կատարելագործված CVD եղանակի միջոցով։
  • Ցիկլոպարաֆենիլենը ներկայումս գրանցված ամենակարճ ածխածնային նանոխողովակն է, որը սինթեզվել է 2009 թվականին։
  • Ամենաբարակ ածխածնային նանոխովակը բազկաթոռային (2,2) նանոխողովակն է, այն ունի ընդամենը 3 Å տրամագիծ։
  • Ածխածնային նանոխողովակներ և նանոթելեր հայտնաբերվել են 17-րդ դարի Դամասկոսյան պողպատի մեջ, որից պատրաստված թրերը հայտնի էին իրենց բացառիկ ամրությամբ։[3][4]

Պատմություն[խմբագրել]

Ածխածնային նանոխողովակների հայտաբերման տարեթվի մասին հստակ տեղեկություններ չկան։ Չնայած որ գիտական աշխատությունների մեծ մասը հղում է կատարում 1991 թվականին Իիջիմայի ածխածնային նանոխողովակներին նվիրված աշխատություններին, գոյություն ունեն ածխածնային նանոխողովակների դիտարկումների մասին այլ աշխատություններ։[5]

1952 թվականին սովետական գիտնականներ Ռադուշկեվիչի և Լուկյանովիչի կողմից հրատարակվել է ածխածնի 50 նմ տրամագծով խողովակների դիտարկման մասին հոդված։ Այս հայտնագործությունը մեծ ուշադրություն չստացավ Սառը պատերազմի և ռուսերեն լեզվով տպագրված լինելու պատճառով։

Ծանոթագրություններ[խմբագրել]

  1. Iijima, Sumio (1991). «Helical microtubules of graphitic carbon». Nature 354 (6348): 56–58. doi:10.1038/354056a0. 
  2. 2,0 2,1 Ebbesen, T. W.; Ajayan, P. M. (1992). «Large-scale synthesis of carbon nanotubes». Nature 358 (6383): 220–222. doi:10.1038/358220a0. 
  3. K. Sanderson (2006). «Sharpest cut from nanotube sword». Nature News. doi:10.1038/news061113-11. 
  4. Reibold, M.; Paufler, P; Levin, AA; Kochmann, W; Pätzke, N; Meyer, DC (November 16, 2006). «Materials:Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre». Nature 444 (7117): 286. doi:10.1038/444286a. PMID 17108950. 
  5. Monthioux, Marc; Kuznetsov, V (2006). «Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes?» (PDF). Carbon 44 (9): 1621. doi:10.1016/j.carbon.2006.03.019. http://www.cemes.fr/fichpdf/GuestEditorial.pdf.