Набиев Н.Ф., Алексеев А.В., Пионтковская С.А.
ПОТЕНЦИАЛ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ: ТЕНДЕНЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ *
Аннотация:
в данном обзоре представлены основные тенденции развития и применения углеродных нанотрубок (УНТ) в электроэнергетике. Рассматриваются возможности применения УНТ для создания полевых транзисторов, логических элементов на их основе, сенсоров, аккумуляторов, а также сверхпрочных и легких проводов.
Ключевые слова:
углеродные нанотрубки, электроника, полевые транзисторы, логические элементы, сенсоры, аккумуляторы, провода
Введение.Углеродные нанотрубки представляют собой уникальные структуры нанометрового масштаба, состоящие из углеродных атомов, организованных в форме трубок. Открытие и исследование УНТ в начале 1990-х годов открыло новую эру в наноматериаловедении и нанотехнологиях. Их уникальные свойства привлекают широкое внимание научного сообщества и промышленных кругов. Они обладают уникальными электронными, механическими и термическими характеристиками, которые делают их одними из наиболее перспективных материалов для различных областей науки и техники.Основная часть.Открытие углеродных нанотрубок, их структура и свойства.Впервые нанотрубки были обнаружены российскими учеными при диспропорцинации монооксида углерода на частицах восстановленного железа. Работа была опубликована в 1952 году, но широкой известности не получила [1]. Позднее они были обнаружены в 1991 году японским физиком Ихару Матсуи при исследовании структуры углерода, проведенном с использованием метода химического осаждения паров (CVD) [2].Углеродная нанотрубка представляет собой протяженную цилиндрическую структуру, состоящую из одного или нескольких вложенных друг в друга свернутых графитовых слоев. Нанотрубки подразделяются на многостеночные, состоящие из двух и более слоев, расстояние между которыми соответствует расстоянию между графитовыми 4 слоями (0,34-0,39 нм) и одностеночные – состоящие из одного графитового слоя, свернутого в цилиндр с диаметром 0,7-2,0 нм и длиной до сотен микрон. Их структура представлена на рисунке 1. Углеродные нанотрубки имеют высокую прочность и эластичность и способны выдерживать большие напряжения, не переламываясь. Томанек с соавторами предсказал, что нанотрубки должны иметь необычную механическую прочность и жесткость, большие, чем у всех известных на данный момент материалов [3]. В 1996 Эббесен и Треаси [4] исследовали многостеночные углеродные нанотрубки, выращенные на подложке, и, соответственно, имеющие закрепленное на поверхности основание и свободный конец. Они получили значение для модуля Юнга (коэффициента упругости) 1 ТРа, что в пять раз превышает значение для стали.Рис. 1. Структура одностеночной и многостеночной углеродной нанотрубки.Одним из ключевых свойств углеродных нанотрубок является их высокая прочность и жесткость. Из-за спиральной структуры, они обладают изумительной механической устойчивостью и способностью выдерживать огромные нагрузки при минимальных деформациях. Это свойство делает их перспективными материалами для создания ультралегких и прочных композитных материалов.Еще одним важным аспектом свойств УНТ является их электронная проводимость. Нанотрубки могут быть как полупроводниками, так и металлами в зависимости от их хиральности и диаметра. Это делает их перспективными материалами для использования в электронике, включая транзисторы с нанотрубками, ультраскоростные компоненты и многие другие устройства.Кроме того, углеродные нанотрубки обладают уникальными оптическими свойствами, такими как светоизлучение и поглощение в широком диапазоне длин волн. Это делает их перспективными кандидатами для применения в оптических устройствах, таких как дисплеи и солнечные батареи.Углеродные нанотрубки продолжают привлекать внимание исследователей своими уникальными свойствами и потенциальными применениями. Дальнейшие исследования в этой области могут привести к новым открытиям и технологическим прорывам, открывая новые горизонты в наноматериаловедении и нанотехнологиях.Анализ рынка и перспективы развития.Прогнозируется, что к 2029 году его объем вырастет до 16,25 млрд долларов США с текущих 6,51 млрд долларов. Этот рост, составляющий в среднем 34,78% ежегодно, связан с различными факторами, включая адаптацию отрасли к коронавирусной пандемии и рост спроса в различных секторах, таких как автомобильное производство и промышленная электроника. Ожидается, что углеродные нанотрубки будут играть все более значимую роль в энергетике, особенно в области возобновляемых источников энергии, где их высокая проводимость и уникальные свойства делают их привлекательными для использования в солнечных батареях, топливных элементах и хранении энергии.Предполагается, что в ближайшие годы спрос на углеродные нанотрубки будет продолжать расти, поскольку различные отрасли, включая энергетику, автомобилестроение и аэрокосмическую промышленность, все больше осознают потенциал этого материала для создания новых технологий и улучшения существующих продуктов. Кроме того, ожидается, что технологические инновации и развитие новых методов производства помогут снизить стоимость углеродных нанотрубок и расширить их применение в различных секторах экономики [5].Таблица 1. Размер рынка углеродных нанотрубок.Применение углеродных нанотрубок в электроэнергетике и электротехнике.Цифровая электроника и вычислительные устройства.Американские ученые создали 16-битный микропроцессор, который стал результатом уникальной разработки на базе углеродных нанотрубок [6]. Этот процессор, содержащий почти 15 тысяч транзисторов на УНТ, представляет значительный прорыв в области создания вычислительных устройств. Новый метод создания монослоя из нанотрубок и другие технологии позволили ученым продемонстрировать работоспособность процессора, запустив на нем все типы инструкций архитектуры RISC-V и выполнить программу, выводящую стандартное приветствие "Hello, World!". Этот значимый шаг был опубликован в престижном научном журнале Nature.Развитие процессоров напрямую связано с миниатюризацией технологического процесса их производства. В настоящее время применяются процессоры, созданные по 7-нанометровому техпроцессу, а также производство по 5-нанометровому техпроцессу находится в экспериментальной стадии. Однако для дальнейшего улучшения характеристик процессоров необходимы новые материалы и технологии. Углеродные нанотрубки, с их уникальными свойствами, представляют собой один из самых перспективных материалов для создания транзисторов.В ходе исследований было установлено, что углеродные нанотрубки обладают небольшим размером и высокой подвижностью носителей заряда, что делает их привлекательными для использования в электронных устройствах. Однако ранее созданные микропроцессоры с использованием углеродных нанотрубок имели ограниченные возможности и не были готовы к массовому производству. Новое исследование, проведенное группой ученых из Массачусетского технологического университета, предложило решение некоторых проблем, связанных с производством транзисторов на основе углеродных нанотрубок, и продемонстрировало работу полноценного процессора с 14702 транзисторами на УНТ.Проводники и кабели на основе УНТ.Сверхлегкая и высокопроизводительная электропроводка, изготовленная из углерода, представляет собой значительный прорыв в области передачи электроэнергии. Провода, разработанные исследователями Кембриджского университета [7], весят в десять раз легче меди и могут быть эффективно использованы в различных электрических системах. Углеродные нанотрубки (УНТ), из которых изготавливаются эти провода, обладают уникальными физическими свойствами, что делает их перспективным материалом для применения в электротехнике. Процесс каталитического непрерывного синтеза УНТ был значительно улучшен, позволяя создавать нанотрубки с высокой степенью чистоты и контролировать их свойства на больших масштабах.Основным преимуществом углеродных проводов является их высокая прочность и легкость, что делает их идеальным вариантом для использования в различных системах передачи электроэнергии. Провода из углерода также обладают устойчивостью к коррозии и способны выдерживать более высокие токи без значительных потерь эффективности передачи. Благодаря новым методам соединения углеродных проводов с металлическими, их можно легко интегрировать в существующие электрические системы, что открывает широкие перспективы для их использования в различных отраслях, включая авиацию, энергетику и транспорт.«Солнечные» аккумуляторы.Исследователи создали молекулярные структуры из чистого углерода, способные эффективно накапливать и отдавать солнечное тепло, что может решить ряд проблем снабжения энергией человечества.Традиционные методы хранения солнечной энергии включают использование дорогостоящих материалов, которые могут деградировать через несколько циклов зарядки/разрядки. Новые углеродные солнечные аккумуляторы, напротив, обеспечивают стабильное хранение солнечной энергии в химической форме и точно контролируемую скорость накопления и отдачи энергии.Процесс работы таких аккумуляторов основан на изменении структуры молекул при воздействии солнечного света, что позволяет им хранить энергию в течение длительного времени без потерь [8]. Этот принцип отличается от преобразования солнечной энергии в электричество и дает преимущество самостоятельного накопления и отдачи тепла без промежуточных устройств.Кроме того, новая технология хранения солнечного тепла может иметь широкий спектр применений в области обогрева помещений, приготовления пищи и выработки электроэнергии. Она также представляет собой общую концепцию конструирования специальных материалов, которая может быть использована во многих других областях.Заключение.Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой захватывающий класс материалов с потенциалом для революционного влияния на электронику и энергетику. В их пользу говорят ряд преимуществ, включая высокую прочность, легкость, отличную электрическую и теплопроводность, а также уникальные оптические свойства. Они могут быть использованы для создания ультралегких и прочных материалов, эффективных электронных устройств, высокоэффективных аккумуляторов и даже для лечения болезней.Однако существуют и некоторые ограничения и проблемы, затрудняющие их широкое применение. Это включает сложности в производстве с высокой степенью чистоты, неоднородность свойств и трудности в контроле хиральности. Некоторые процессы синтеза могут быть токсичными и вредными для окружающей среды, а стандартизация производства и масштабирование остаются вызовом.Необходимы дальнейшие исследования и инновации для преодоления этих проблем и раскрытия полного потенциала УНТ.
Номер журнала Вестник науки №9 (78) том 1
Ссылка для цитирования:
Набиев Н.Ф., Алексеев А.В., Пионтковская С.А. ПОТЕНЦИАЛ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ: ТЕНДЕНЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ // Вестник науки №9 (78) том 1. С. 179 - 188. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/17113 (дата обращения: 20.05.2025 г.)
Вестник науки © 2024. 16+