Высокопроизводительные и экономичные ультраконденсаторы, изготовленные на базе графена и нанотрубок

Содержание

Ещё 50 тонн: как российские физики изменят привычный нам мир

Запуск Graphetron 50 закрепил лидирующие позиции OCSiAl на глобальном рынке: теперь компания контролирует почти весь мировой рынок графеновых нанотрубок. Запущенная в 2019 году в тестовом режиме установка Graphetron 50 компании OCSiAl вышла на плановую мощность — 50 тонн в год.

«На наших глазах стартап из новосибирского Академгородка, начинавшийся фактически с одной, но очень амбициозной идеи — создать абсолютно новый материал будущего — вырос в глобального лидера рынка с промышленной технологией производства графеновых нанотрубок. В 2019 году он стал первым и пока единственным в нашей стране «единорогом» в секторе material based. Сегодня, когда запускается крупнейшая в мире установка синтеза нанотрубок, я испытываю гордость за всю команду проекта во главе с Юрием Коропачинским и Михаилом Предтеченским», — заявил председатель правления «Роснано» Анатолий Чубайс.

OCSiAl владеет единственной в мире масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок и является мировым лидером по объему производственных мощностей. Автор уникальной технологии — российский ученый-физик, академик РАН Михаил Предтеченский.

Первую промышленную партию OCSiAl синтезировала в 2015 году — 1,2 тонны, что превысило весь объем этого материала, когда-либо произведенный с момента его открытия в 1991 году. Сегодня научно-исследовательский реактор Graphetron 1.0, изначально рассчитанные на производство тонны трубок, синтезирует 25 тонн нанотрубок в год — технология оказалась уникально масштабированной.

Как говорит основатель компании Юрий Коропачинский, предельный коэффициент масштабирования в химической промышленности 6, за редким исключением 8. Уже Graphetron 1.0 показал коэффициент выше 10. Поэтому 50 тонн графеновых нанотрубок на Graphetron 50 — это только самое начало. Изменилась и технология производства — если Graphetron 1.0 компания запускала год, то Graphetron 50 заработал сразу — невиданные результат при технологиях такой сложности. Одна из основных задач — трудность протекания каталитических реакций на таких площадях — один грамм нанотрубок имеет площадь поверхности 1500 кв. м, а одновременно в реакторе Graphetron 50 находятся десятки килограммов трубок. До сих пор эта задача считалась неразрешимой.

Интересной особенностью подобных реакций является то, что себестоимость продукции падает как 1 на объем реактора в степени 3/2. Поэтому с ростом размера Graphetron материал становится все дешевле, и все качественнее. По мере роста размера реактора, в конечных графеновых трубках все меньше металлических частиц, и все больше трубок. И если на первом графетроне сначала синтезировали трубки 75% чистоты, потом 80%, то на новом реакторе получается 85% и выше, компания вплотную подошла к рекордной 90% чистоте.

На сегодня главный рынок для OSCiAl — автомобильная промышленность, вернее, аккумуляторы для машин. Современные аккумуляторы с катодами высокой емкости на основе материалов с высоким содержанием никеля (NCM 622, NCM 811, NCA) и графитовыми анодами достигают энергоёмкости в 240−250 Вч/кг, что позволяет легковому автомобилю иметь пробег на одной зарядке на уровне 400 км. Однако, при этом пробег электромобиля все равно существенно ниже пробега автомобиля с ДВС аналогичного класса, а его стоимость выше на 25%. Для того, чтобы электромобили стали действительно массовыми и могли конкурировать с авто с ДВС по пробегу и цене, энергоёмкость батареи должна быть на уровне 300−350 Вч/кг. На сегодняшний день единственно доступной технологией, позволяющей достигнуть данных показателей по энергоёмкости, является замена графитового анода в литий-ионной батарее на анод с высоким содержанием кремния. На уровне 20% (SiO).

Суперконденсатор: композит из графена и углеродных нанотрубок

Схематическое изображение и СТМ-скан материала, состоящего из графена и углеродных нанотрубок.

Группа ученых из США предложила конструкцию нового суперконденсатора микроскопических размеров, электрохимические свойства которого могут быть полезны в создании портативных электронных устройств и инструментов для преобразования энергии из возобновляемых источников.

Их суперконденсаторы состоят из листов графена и углеродных нанотрубок. Как показывают эксперименты, такие устройства позволяют запасти в два раза больше энергии на единицу объема, чем традиционные алюминиевые конденсаторы.

Конденсаторы – это устройства, позволяющие накапливать и сохранять электрический заряд. Суперконденсаторы, также известные как двухслойные или электрохимические конденсаторы, могут сохранять гораздо больше энергии за счет формирования двойного слоя при подаче внешнего напряжения на границе электрода и электролита.

Поскольку со временем спрос на портативные электронные устройства только увеличивается, исследователи обращают все больше внимания на микроконденсаторы для хранения энергии. Хотя с точки зрения потенциального применения в этих устройствах было изучено много различных материалов (включая производные графена), ни один из них не является совместимым с задачей линейной фильтрации переменного напряжения с частотой 120 Гц.

Стоит отметить, что линейная фильтрация позволяет сглаживать так называемые остатки пульсации напряжения. Такая фильтрация особенно важна при использовании энергии из возобновляемых источников, к примеру, при питании устройства от турбины ГЭС или с помощью ветра, поскольку здесь частоты могут варьироваться, в зависимости от скорости потока воды или воздуха. Из-за несовместимости предлагавшихся ранее разработок с отфильтрованным напряжением, в таких приложениях на сегодняшний день чаще всего используются алюминиевые электролитические конденсаторы, недостатком которых является низкая плотность запасаемой энергии.

Суперконденсаторы могли бы найти в этой сфере широчайшее применение. Но с их использованием связана одна существенная проблема. Эффективность фильтрации напряжения обычно характеризуется таким параметром, как фазовый угол электрического сопротивления на частоте 120 Гц. И фазовый угол суперконденсаторов, создававшихся до сих пор в коммерческих масштабах, на частоте 120 Гц близок к 0 градусов. Однако группа ученых из Rice University (США) предложила конструкцию суперконденсатора, не обладающую этим недостатком. Согласно проведенным ими экспериментам, суперконденсаторы, сформированные из листов графена (двумерного материала из углерода, атомы которого образуют гексагональную кристаллическую решетку) и углеродных нанотрубок, демонстрируют фазовый угол более –81,5 градусов при частоте в 120 Гц, что соизмеримо с параметрами используемых сейчас алюминиевых электролитических конденсаторов.

Как утверждают сами ученые, столь высокий фазовый угол возможен благодаря фактически бесшовному соединению графена и нанотрубок. Как показывают расчеты, новое устройство имеет емкость до 2,16 мкФ на квадратный сантиметр в водном электролите и до 3,93 мкФ на квадратный сантиметр в ионных, таким образом, его параметры сравнимы с характеристиками современных коммерческих суперконденсаторов.

При этом скорость разряда новых конденсаторов составляет 400 В/с, что в сотни раз превышает скорость разряда, наблюдаемую в большинстве суперконденсаторов.

Упомянутые выше характеристики, по мнению ученых, означают, что такие гибридные устройства могут стать в будущем идеальными дискретными источниками энергии для применения в портативной электронике.

Поскольку предложенный в качестве структурного элемента этого устройства трехмерный материал обладает очень высокой электропроводностью и сравнительно большой площадью поверхности, в ближайшем будущем ученые планируют оценить возможность его использования в других вариантах суперконденсаторов, в частности, в передовых литий-ионных батареях.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.

«Горячие» трансформации графена и углеродных нанотрубок

Графен – перспективный материал высоких технологий 21 века (Нобелевская премия, 2010 г.) – целенаправленно трансформируется под действием молекулярной «горячей резки». Проведенное исследование выявило уникальные процессы на поверхности графенового слоя углерода под действием нагретых микроволновым излучением наночастиц металлов. Полученные результаты дают возможность разработать высокоэффективные катализаторы для химической промышленности и фармацевтики. Авторы описали принципиально важную роль углеродного носителя в процессах получения наноструктурированных катализаторов.

В результате исследования, проведенного в лаборатории член-корр. РАН В.П.Ананикова в Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН, было обнаружено и систематизировано многообразие процессов, протекающих на поверхности углеродных материалов, покрытых наночастицами металлов. В частности, нагретые под действием микроволнового излучения наночастицы металлов приводят к активному структурированию поверхности углерода: происходит образование каналов, как на поверхности, так и внутри объема углеродной подложки, активный рост нанотрубок различного размера.

Читайте также:  Первые цифровые оптические ультрафиолетовые датчики от silicon labs

Результаты исследования российских ученых, опубликованные в ноябрьском номере американского журнала ACS Catalysis, позволяют значительно лучше понять наноструктуру поверхности таких многокомпонентных каталитических систем, разработать новые более экономичные способы получения углеродных нанотрубок, а проведенные в этой же работе теоретические исследования объясняют возможность образования углеродных нанотрубок в результате конденсации циклопарафениленовых колец. Знание закономерностей структурирования поверхности в процессе получения катализатора позволяет более осмысленно и целенаправленно регулировать его каталитическую активность, что приведет к получению новых активных катализаторов.

Рисунок 1. Разогретые до высокой температуры наночастицы металлов инициируют «разрезание» графенового слоя (etching of graphene), циклизацию угелродных нанолент (nanoribbons cyclization), образование циклопарафениленовых колец (cycloparaphenylenes formation) и рост углеродных нанотрубок (nanotube growth).

Углеродные нанотрубки представляют собой наноразмерные трубчатые структуры, стенки которых состоят из атомов углерода, организованных в виде соединенных между собой шестичленных циклов. Получение углеродных нанотрубок, систематическое изучение которых началось в начале девяностых годов, ознаменовало собой начало эры нанотехнологий. Углеродные нанотрубки можно отнести к аллотропным модификациям углерода наряду с графитом и алмазом, однако, в отличие от последних, нанотрубки не встречаются в природе и являются искусственными структурами. Нанотрубку можно представить как лист графена (плоский лист толщиной в один атом, состоящий из атомов углерода), свернутый в цилиндр и склеенный своими краями. Углеродные нанотрубки имеют широкий спектр как потенциальных, так и уже реализованных применений: они могут использоваться как наполнители композиционных материалов, сенсоры газов и различных активных молекул, компоненты наноэлектронных устройств и аккумуляторов энергии.

Одним из наиболее перспективных методов получения углеродных нанотрубок является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако метод CVD имеет ряд существенных недостатков: высокая энергоемкость, использование в качестве исходного сырья углеводородов, что приводит к небезопасности такой технологии.

Перспективным материалом для получения нанотрубок является графит, состоящий из уложенных друг на друга листов графена. Использование графита в качестве исходного материала для получения нанотрубок, возможно, приведет к более безопасной и экономичной технологии промышленного получения таких структур. Как же заставить плоские листы графита свернуться в нанотрубки? Будет ли такой процесс возможен в соответствии с законами термодинамики?

Авторы работы выдвинули гипотезу, согласно которой на первых стадиях процесса лист графена разрезается на полоски, шириной в одно ароматическое кольцо. Затем каждая такая полоска сворачивается в цикл, соединяясь концами. В органической химии структуры с таким строением в своей основе – циклопарафенилены – известны и получены экспериментально. После этого циклопарафениленовые кольца, которые можно рассматривать как сегменты будущей нанотрубки, соединяются вместе, формируя стенку трубки, которая одним своим концом прикреплена к краям отверстия в листе графена, образованного раскаленной наночастицей металла. Все стадии такого процесса были смоделированы методами квантовой химии с использованием полуэмпирических (PM6) методов и методов теории функционала плотности (B3LYP, oB97XD, M06, M06L) на примере образования нанотрубки типа (6,6).

Рисунок 2. Схема образования нанотрубки типа (6,6) из плоского листа графена. Реакции (1), (2) и (3) соответствуют исходным листам графена с различным количеством атомов водорода по краям.

В результате моделирования было установлено, что энергия такого процесса очень сильно зависит от состояния краев исходного графенового листа. В случае, если каждый атом углерода на краях листа соединен с одним атомом водорода (реакция 1, рис. 2), реакция образования нанотрубки сопровождается выделением 20 молекул водорода и энергетически невыгодна, так как приводит к увеличению энергии в 2.5 ккал/моль на один атом углерода. Реакция с частично гидрированным краем листа графена (2) энергетически осуществима и сопровождается уменьшением энергии на 1.5 ккал/моль на один атом углерода. Наиболее энергетически выгодным процессом является образование трубки из полностью дегидрированного листа графена (реакция 3), которая сопровождается уменьшением энергии реагирующей системы на 4.6 ккал/моль на один атом углерода. Таким образом, трансформация графена в нанотрубку вполне вероятна.

Как же осуществить такое преобразование углеродной плоскости в трубку на практике? Начало этому может положить экспериментальная методика, отработанная авторами статьи, и основанная на использовании микроволнового излучения. Микроволновые технологии постепенно входят в повседневный инструментарий химиков в последнее время. Как и в методе CVD, и здесь ключевую роль играют наночастицы металла. Если покрыть поверхность графита наночастицами металла (например, никеля или железа), и затем этот материал подвергнуть действию микроволнового излучения в инертной атмосфере, то происходит активный рост нанотрубок, катализируемый этими металлическими частицами. Причем частицы металла остаются связанными с растущим концом нанотрубки. Кроме этого некоторые расплавленные частицы металла перемещаются по поверхности графита, формируя наноканалы и разрезая листы графена на полоски и чешуйки различного размера. Эти явления открывают путь к получению наноструктурированных катализаторов, в которых наночастицы металлов не просто нанесены на поверхность графита, а включены в состав нанотрубок, и дают возможность разработать методы структурирования поверхности графита в наномасштабе, использующие раскаленные наночастицы металлов в качестве «выжигателей».

По мнению Нобелевского лауреата по химии Роальда Хоффмана, посетившему недавно ИОХ РАН, область каталитической химии, возникшая в последнее время на стыке металлокомплексного катализа и нанотехнологий, представляет собой огромный интерес, как в прикладном значении, так и в фундаментальных вопросах химии каталитических процессов. Особым вниманием профессор Хоффман отметил каталитические системы, сочетающие в себе наночастицы металлов и углеродных нанотрубок, в которых «вызывает удивление возможность свободного перемещения кластера металла внутри нанотрубки». Такие динамические эффекты дают возможность проводить каталитическую реакцию не на поверхности, а внутри нанотрубки, которая будет служить миниатюрным реактором с регулируемой каталитической активностью.

Графен, нанотрубки и все-все-все

Создание новых материалов – это путь, пожалуй, максимально быстрого применения последних достижений физики и химии в практической области. Современное материаловедение достигло уровня, на котором рассматривается связь строения веществ на атомном и молекулярном масштабе с их свойствами в макромире. В течение года мы неоднократно рассказывали о разработанных учеными новых материалах в новостях и обзорах ProScience, в лекциях Полит.ру, однако всегда есть исследования, которые еще не были упомянуты. О некоторых из них мы хотим рассказать в конце года.

Много новых материалов, разработанных в 2013 году, связаны с использованием графена, точнее с сочетанием этой формы углерода с другими веществами. Ученые из Массачусетского технологического института, как сообщает их статья в Science, получили графеновый полупроводник, нанеся слой графена на подложку из нитрида бора. При этом свойства графена изменяются в зависимости от того, под каким углом пересекаются его кристаллическая решетка и кристаллическая решетка нитрида бора. Другой коллектив исследователей сумел обосновать использование графена в качестве основы электродов в аккумуляторах. Согласно расчетам, литиевый аккумулятор с электродами из бора, нанесенного на графеновую основу, будет иметь емкость более 7,6 мегаджоулей на килограмм (примерно в пять раз больше современных).

Большая перспектива у технологии, опробованной испанскими исследователями. Ученые из Мадридского института передовых исследований в нанонауке (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia), Мадридского университета Комплутенсе (Universidad Complutense de Madrid) и Мадридского автономного университета (Universidad Autónoma de Madrid) попробовали нанести на графен тетроциано-пара-хинодиметан (TCNQ), графеновый слой при этом располагался на подложке из рубидия. TCNQ – это вещество с формулой (NC)2CC6H4C(CN)2. Оказалось, что при нанесении на графен оно приобретает магнитный момент: его молекулы располагаются зонами с одинаковой ориентацией спинов. Это явление в будущем можно будет использовать при создании электронных устройств, в которых для кодирования информации будет использоваться не только заряд, но и спин частиц (так называемая спинтроника). Эта технология позволит значительно улучшить устройства хранения и передачи информации. Статья испанских ученых была опубликована у Nature Physics.

В Китае создан аэрогель графена – самое легкое твердое вещество, в семь раз легче воздуха. Прошлый рекорд легкости твердых веществ принадлежал аэрографиту, плотность которого 0,18 миллиграмма на кубический сантиметр. Плотность аэрогеля графена 0,16 мг на кубический сантиметр. Он настолько легок, что один его кубический сантиметр может лежать на тычинках цветка или пухе одуванчика. Новый материал способен восстанавливаться после сжатия почти на 90%. Перспективная область его применения – ликвидация разливов нефти в океане. Аэрогель графена способен впитать нефть массой в 900 раз больше собственной. Скорость впитывания 68,8 граммов в секунду. Также его можно использовать как изоляционный материал и в качестве электрода в ионисторах.

Читайте также:  Можно ли подключить зеркало с подсветкой и подогревом к проводке светильника?

Другая перспективная область – использование углеродных нанотрубок. Исследователи из Университета Уильяма Райса (Хьюстон, США) совместно с коллегами из Израиля и Нидерландов смогли в этом году заплести нанотрубки в волокно. Получившиеся нити сочетают в себе высокую прочность и гибкость с высокой электропроводностью, сравнимой с электропроводностью меди. Они найдут применение в электронике и технологии передачи электроэнергии на большие расстояния.

Журнал Nature Nanotechnology рассказал о разработанном учеными из Университета штата Мичиган и Института фотонных исследований в Барселоне (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques) методе определения слабых колебаний электростатического поля при помощи углеродных нанотрубок. Этот метод основан на колебаниях нанотрубок в электрическом поле. Как сказал один из авторов исследования, силы, отражающиеся в этих колебаниях столь малы, что их можно сравнить «с гравитационным притяжением двух людей, находящихся на расстоянии 4,5 тысячи километров». Новая технология сможет регистрировать изменение спина отдельного электрона. Это сделает возможным значительное увеличение точности магнитно-резонансной томографии.

Весьма интересны и перспективны свойства станена – материала, аналогичного по строению графену, но состоящего не из атомов углерода, а из атомов олова. Группа исследователей под руководством профессора Шоучэн Чжана в Стенфордском университете занимается исследованием топологических изоляторов – материалов, поверхность которых электропроводна, а остальная часть представляет собой диэлектрик. В случае сверхтонкой пленки электропроводными оказываются края материала. Топологические изоляторы были предсказаны теоретически в 2005 году, а впервые синтезированы в 2008 (антимонид висмута). Ученые предполагают, что материал на основе станена с добавленными атомами фтора станет высокоэффективным топологическим изолятором. Предвидя блестящее будущее станена в качестве компонента микросхем, профессор Чжан даже предположил, что когда-нибудь кремниевую долину придется переименовать в Оловянную.

Несколько неожиданным оказалось появление в такой новейшей области физики конденсированных сред, как изучение топологических изоляторов, природного материала, тем не менее 2013 год принес и такой сюрприз. Найденный в старом руднике в Чехии, где когда-то добывали золото, минерал кавалюзит оказался наделенным свойствами топологического изолятора. Его описала в журнале Nano Letters группа немецких и швейцарских физиков во главе с Паскалем Герингом. Примерный состав этого минерала – Bi2(Te,Se)2(Se,S). При этом его качество оказалось выше, чем у полученных до сих пор синтетических изоляторов, так как он не содержит дефектов, приводящих к появлению областей проводимости внутри материала. Возможно, более выгодным будет добывать природный топологический изолятор, чем синтезировать искусственные.

Если упомянутый нами выше метод увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов с использованием электродов из графена и бора пока находится на теоретической стадии, то другой способ, предложенный в Высшей технической школе Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), можно реализовать уже сейчас. Группа исследователей под руководством Максима Коваленко смогла вырастить нанокристаллы олова и оксида олова размером от 9 до 23 нанометров с большой точностью. Нанокристаллы образуют подобие «губки», связывающей ионы лития и выпускающей их при разрядке аккумулятора. Один атом олова в нанокристалле способен связать до четырех ионов лития. Емкость аккумулятора, на аноде которого будут расположены эти нанокристаллы, увеличится в два раза по сравнению с существующими моделями. При этом емкость начальной зарядки отличаться не будет, но после многочисленных циклов зарядки и разрядки аккумулятора разница в емкости станет заметной.

Другая конструкция сверхмощных литиевых аккумуляторов представлена учеными из Университета Иллинойса. Они также получены благодаря наноматериалам: анод состоит из сплава олова и никеля, а катод из соли лития (LiMnO2). Трехмерная структура анода и катода напоминает микроскопические «гребенки» с пористыми зубцами. Она обеспечивает быстрое прохождение химических реакций. Всё это позволяет новым батареям как запасать много энергии, так и выделять ее в краткое время.

Высокопроизводительные и экономичные ультраконденсаторы, изготовленные на базе графена и нанотрубок

Термины и определения

Nanotechnologies. Part 3. Carbon nano-objects. Terms and definitions

Дата введения 2014-04-01

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием “Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении” (ФГУП “ВНИИНМАШ”) на основе собственного аутентичного перевода на русский язык документа, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 441 “Нанотехнологии”

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 06 мая 2013 г. N 69-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному документу ИСО/ТС 80004-3:2010* “Нанотехнологии. Словарь. Часть 3. Углеродные нанообъекты” (ISO/TS 80004-3:2010 “Nanotechnologies – Vocabulary – Part 3: Carbon nano-objects”).
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. – Примечание изготовителя базы данных.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного документа для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (пункт 3.5)

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе “Национальные стандарты”, а официальный текст изменений и поправок – в ежемесячном информационном указателе “Национальные стандарты”. В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя “Национальные стандарты”. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования – на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (gost.ru)

Введение

В последние два десятилетия обнаружены, синтезированы или изготовлены различные новые формы углеродных наноматериалов, в том числе фуллерены и углеродные нанотрубки. Они являются перспективными материалами для многих отраслей наноиндустрии, так как обладают уникальными электронными, электромагнитными, термическими, оптическими и механическими свойствами.

В связи с увеличением объема научных знаний и числа технических терминов в области нанотехнологий (см. библиографию) целью настоящего стандарта является определение наиболее важных терминов, относящихся к углеродным нанообъектам, установление их взаимосвязей и связей с терминами, которые давно применяются для обычных углеродных материалов.

Настоящий стандарт является частью серии стандартов ИСО/ТС 80004, охватывающей различные аспекты нанотехнологий. В настоящем стандарте большинство определений терминов сформулированы так, чтобы была обеспечена их иерархическая взаимосвязь с терминами стандартов серии ИСО/ТС 80004. В некоторых случаях иерархическая взаимосвязь терминов может быть нарушена из-за особенностей применения терминов для конкретных понятий.

1 Область применения

Настоящий стандарт является частью серии стандартов ИСО/ТС 80004 и устанавливает термины и определения понятий в области нанотехнологий, относящихся к углеродным нанообъектам. Настоящий стандарт предназначен для обеспечения взаимопонимания между организациями и отдельными специалистами, осуществляющими свою деятельность в области нанотехнологий.

2 Основные термины и определения

2.1 нанодиапазон: Диапазон линейных размеров приблизительно от 1 до 100 нм.

Примечания

1 Верхнюю границу этого диапазона принято считать приблизительной, так как, в основном, уникальные свойства нанообъектов за ней не проявляются.

2 Нижнее предельное значение в этом определении (приблизительно 1 нм) введено для того, чтобы исключить из рассмотрения в качестве нанообъектов или элементов наноструктур отдельные атомы или небольшие группы атомов.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 2.1]

2.2 нанообъект: Материальный объект, линейные размеры которого по одному, двум или трем измерениям находятся в нанодиапазоне.

Примечание – Данный термин распространяется на все дискретные объекты, линейные размеры которых находятся в нанодиапазоне.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 2.2]

2.3 наночастица: Нанообъект, линейные размеры которого по всем трем измерениям находятся в нанодиапазоне.

Примечание – Если по одному или двум измерениям размеры нанообъекта значительно больше, чем по третьему измерению (как правило, более чем в три раза), то вместо термина “наночастица” можно использовать термины “нановолокно” или “нанопластина”.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.1]

2.4 нанопластина: Нанообъект, линейные размеры которого по одному измерению находятся в нанодиапазоне, а размеры по двум другим измерениям значительно больше.

Примечания

1 Наименьший линейный размер – толщина нанопластины.

2 Размеры по двум другим измерениям значительно больше и отличаются от толщины более чем в три раза.

3 Наибольшие линейные размеры могут находиться вне нанодиапазона.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.2]

2.5 нановолокно: Нанообъект, линейные размеры которого по двум измерениям находятся в нанодиапазоне, а по третьему измерению значительно больше.

Читайте также:  Распределительная коробка для электропроводки

Примечания

1 Нановолокно может быть гибким или жестким.

2 Два сходных линейных размера по двум измерениям не должны отличаться друг от друга более чем в три раза, а размеры по третьему измерению должны превосходить размеры по первым двум измерениям более чем в три раза.

3 Наибольший линейный размер может находиться вне нанодиапазона.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.3]

2.6 нанотрубка: Полое нановолокно.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.4]

2.7 наностержень: Твердое нановолокно.

[ИСО/ТС 27687:2008, статья 4.5]

2.8 нанолуковица: Наночастица (2.3), образованная несколькими сфероподобными концентрическими оболочками.

2.9 наноконус: Нановолокно (2.5) или наночастица (2.3), имеющие конусообразную форму.

2.10 нанолента: Нанопластина (2.4), линейные размеры которой по двум измерениям находятся в нанодиапазоне (2.1) в соотношении большем, чем 2:1 и существенно меньше размера по третьему измерению.

2.11 графен: Монослой атомов углерода, в котором каждый атом связан с тремя соседними, образуя таким образом сотовую структуру.

Примечание – Графен является основным образующим материалом многих углеродных нанообъектов.

2.12 графит: Аллотропная модификация углерода, состоящая из слоев графена (2.11), расположенных параллельно друг другу и образующих трехмерную упорядоченную кристаллическую структуру.

Примечания

1 В настоящем стандарте определение термина “графит” приведено в соответствии с терминологией Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) [7].

2 Существуют две аллотропные модификации графита: гексагональная и ромбоэдрическая, отличающиеся типом чередования углеродных слоев.

3 Термины и определения понятий, относящихся к конкретным типам углеродных наночастиц

3.1 фуллерен: Молекула, состоящая из четного числа атомов углерода, образующих замкнутую выпуклую поверхность многогранника, двенадцать граней которого образованы пятиугольниками, а остальные – шестиугольниками.

3.2 производные фуллерена: Химические соединения, которые образованы из фуллеренов (3.1) замещением углерода или ковалентным присоединением компонентов.

3.3 эндоэдральный фуллерен: Фуллерен (3.1), внутри оболочки которого заключены один или несколько атомов.

3.4 металлофуллерен: Эндоэдральный фуллерен (3.3), содержащий один или несколько ионов металлов.

3.5 углеродная нанолуковица: Нанолуковица (2.8), состоящая из углерода.

4 Термины и определения понятий, относящихся к конкретным типам углеродных нановолокон и нанопластин

4.1 углеродное нановолокно; УНВ: Нановолокно (2.5), состоящее из углерода.

carbon nanofibre; CNF

4.2 графитовое нановолокно: Углеродное нановолокно (4.1), состоящее из многослойных структур графена (2.11).

Примечание – Расположение слоев графена может быть произвольным по отношению к оси волокна; наличие дальнего порядка не является обязательным.

4.3 углеродная нанотрубка; УНТ: Нанотрубка (2.6), состоящая из углерода.

carbon nanotube; CNT

Примечание – Углеродные нанотрубки обычно состоят из свернутых слоев графена (2.11), в том числе одностенные углеродные нанотрубки (4.4) и многостенные углеродные нанотрубки (4.6).

4.4 одностенная углеродная нанотрубка; ОУНТ: Углеродная нанотрубка (4.3), состоящая из одного цилиндрического слоя графена (2.11).

single-wall carbon nanotube; SWCNT

Примечание – Структуру ОУНТ можно представить в виде листа графена, свернутого в цилиндрическую сотовую структуру.

4.5 вектор хиральности ОУНТ: Векторное условное обозначение, используемое для описания спиральной структуры одностенных углеродных нанотрубок (4.4).

chiral vector of SWCNT

4.6 многостенная углеродная нанотрубка; МУНТ: Углеродная нанотрубка (4.3), состоящая из вложенных друг в друга концентрических или почти концентрических слоев графена (2.11) с межслоевыми расстояниями, аналогичными межслоевым расстояниям в графите (2.12).

multiwall carbon nanotube; MWCNT

Примечание – МУНТ представляет собой множество вложенных друг в друга одностенных углеродных нанотрубок (4.4) цилиндрической формы в случае малого диаметра и стремящихся к многоугольному сечению по мере увеличения диаметра.

4.7 двустенная углеродная нанотрубка; ДУНТ: Многостенная углеродная нанотрубка (4.6), состоящая из двух вложенных концентрических одностенных углеродных нанотрубок (4.4).

double-wall carbon nanotube; DWCNT

Примечание – Несмотря на то что ДУНТ является одним из видов МУНТ, ее свойства более соответствуют ОУНТ.

4.8 гирляндная углеродная нанотрубка; ГУНТ: Углеродная нанотрубка (4.3), составленная из усеченных наноконусов (2.9) графена (2.11).

cup-stacked carbon nanotube

Примечание – По структуре ГУНТ полностью отличается от ОУНТ или МУНТ. Открытые верхнее и нижнее основания усеченных наноконусов графена образуют соответственно внутреннюю и внешнюю поверхности нанотрубки.

4.9 углеродный наностручок: Линейный массив фуллеренов (3.1), заключенный в углеродную нанотрубку (4.3).

Примечание – Углеродный наностручок можно рассматривать как пример композиционного нановолокна.

4.10 углеродный нанорог: Короткая, неправильной формы углеродная нанотрубка (4.3), вершиной которой является наноконус (2.9).

Примечание – Углеродные нанорога обычно образуются в виде агрегатов.

4.11 углеродная нанолента: Нанолента (2.10), состоящая из углерода.

Примечание – Углеродные наноленты чаще всего состоят из нескольких слоев графена (2.11). Если лента состоит из одного слоя графена, то применяют термин “графеновая лента”.

Графеновые нанотрубки: прорыв в полимерной промышленности

Mozilla/5.0 (Windows NT 6.1; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/30.0.1599.101 Safari/537.36 [ 170.246.10.28 ]

Полимеры с улучшенными графеновыми нанотрубками становятся все более востребованными в промышленности: инновации помогают создать экосистему с более высокой эффективностью и долговечностью. Как пишет портал Plastics News Europe, любой сектор производства выигрывает от применения нанотрубок из графена, от ветряных турбин и автошин до банальной бытовой антистатической упаковки.

Новые достижения и основные проблемы в области нанополимеров были одними из ключевых тем обсуждения на саммите по нанотехнологиям в области материаловедения в 2019 году (NAUM) в Киото, Япония, 5-6 ноября. В научном съезде приняли участие 450 делегатов из 31 страны: инженеры и ученые обсуждали новые применения крошечных трубок, сочетающих в себе постоянные антистатические свойства и надежные механические характеристики.

Группа Lehvoss представила свои результаты по улучшению характеристик PA6, PA12, PPS и TPU с составами графеновых нанотрубок, которые уже доступны в промышленном масштабе.

«С помощью графеновых нанотрубок компания смогла разработать первый на рынке электропроводящий материал для лазерного спекания, подходящий для технологий плавления в станине и технологии FFF. Если вы думаете о приложениях [идеи], то это носители, лотки, корпуса, коммутаторы, контейнеры и медицинское оборудование», — сказал Марко Берт, менеджер по разработке продуктов Lehvoss Group.

Шведская группа по производству резины и пластмасс Trelleborg AB подчеркнула способность графеновых нанотрубок обеспечивать проводимость и повышать устойчивость к старению и истиранию в термопластах. Компания использовала материалы для решения вопроса о поперечном сечении радара (RCS) в ветряных турбинах. Как правило, в аэропорту вечной проблемой остается с радиолокационными системами захода на посадку.

Использование графеновых нанотрубок в термопластичных компонентах помогло компании создать скрытый объект, способный поглощать более 99% падающей радиолокационной волны. «Целый гигаватт энергии возобновляемой энергии может быть разблокирован с помощью этой технологии», — пояснил Адам Невин, глава отдела инноваций Trelleborg Applied Technologies.

Финская компания Arctic Biomaterials специализируется на экологически чистых и биоразлагаемых пластмассах. «Мы создаем биоразлагаемые композиты с нанотрубками Tuball», — сказал Ари Рослинг, директор отдела исследований и разработок.

Графеновые нанокомпозиты — будущее полимерной промышленности

Графеновые нанокомпозитные материалы весьма востребованы в медицине. Например, преодолев типичные недостатки, биоразлагаемые полимерные нанокомпозиты пригодны для прямой доставки электростимуляции в клетку, а также для использования в качестве тканевого материала для остеосинтеза и для восстановления нервной системы и сердца.

Нанотрубки могут быть использованы в качестве компонента материала для переходной электроники и антистатической упаковки. Огромный рынок, уже вовсю внедряющий графеновые нанотрубки, — это каучуковые фабрики и шинные заводы.

«Ключевой проблемой для отрасли является сочетание механических характеристик со стабильным уровнем электропроводности», — отметила Екатерина Горбунова, вице-президент по эластомерам компании OCSiAl.

Эксперты OCSiAl отмечают, что нанотрубки решают эту проблему в натуральных каучуках. Описывая их как «третью большую революцию» в шинной промышленности (после изобретения радиальной конструкции и технологии кремнезема) Жан-Николя Хельт, разработчик OCSiAl, сказал, что графеновые нанотрубки улучшили «все ключевые свойства одновременно». Иными словами, они идеальны, раз помогли разом решить все проблемы при производстве автомобильных шин.

Нанотрубки Tuball оптимизируют общую производительность шин, улучшают стойкость к истиранию, продляя срок их службы. Графеновые нанотрубки улучшают также сцепление на мокрой поверхности, что повышает безопасность, обеспечивая отличную электропроводность и защиту электрооборудования автомобиля. Нанополимеры из графена гарантируют беспрецедентное улучшение сопротивления качению, что снижает средства на проведение ТО и потребление топлива.

Японский многонациональный производитель Daikin Industries также использует нанотрубки Tuball для увеличения прочности на разрыв, проводимости и модуля фторэластомеров, которые из-за своей термической и химической стойкости уже пользуются повышенным спросом в автомобильной и полупроводниковой промышленности.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector