Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

План

Введение

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

1.2 Классификация нанотрубок

1.3 История открытия

1.4 Структурные свойства

1.5 Возможные применения нанотрубок

1.6 Получение углеродных нанотрубок

2. Электронные свойства нанотрубок

2.2 Электронные свойства графитовой плоскости

2.3 Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

2.4 Ток в нанотрубках

2.5 Сверхпроводимость нанотрубок

2.6 Преобразователи энергии

3. Применение нанотрубок в энергетике

3.1 Использование наноматериалов в атомной энергетике

3.2 Нанотрубки в водородной энергетике

3.3 Солнечная энергетика и нанотехнологии

3.4 Нанотехнологии в электротехнике

3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Энергетика - это одна из наиболее важных отраслей промышленности, развитие которой практически сразу отражается на качестве жизни людей. От того, над чем работают сегодня ученые, какие идеи они считают перспективными, какие проекты востребованы коммерческим сектором, во многом зависит состояние энергетики нашей страны и мира в будущем. В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т.д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений.

В своем реферате я хотела бы рассмотреть наиболее успешные и перспективные разработки, которые уже реализуются на практике или будут востребованы в ближайшие годы. Здесь речь пойдет о наноматериалах, разрабатываемых для атомной энергетики, светодиодного освещения, электротехники, сверхпроводимости, водородной и солнечной энергетики.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки

Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Классификация нанотрубок

 

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.

По значению параметров (n, m) различают

· прямые (ахиральные) нанотрубки

· «кресло» или «зубчатые» n=m

· зигзагообразные m=0 или n=0

· спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

История открытия

Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода.

В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.

В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшая в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости [8].

Структурные свойства

Нанотрубки обладают упругими свойствами. Имеют дефекты при превышении критической нагрузки. В большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб. [9]

 

Ток в нанотрубках

Ученые из университета штата Иллинойс доказали, что углеродные нанотрубки пропускают большое количество электрического тока.

По сообщению журнала «NanoWeek», продемонстрировать это помогло подведение полупроводниковых углеродных нанотрубок к лавинообразному процессу, в котором свободные электроны образуются в значительном количестве.

До этого было известно, что одностенные углеродные нанотрубки могут пропускать токи плотностью до 100 раз выше, чем лучшие металлы-проводники (например, медь). Однако исследования, проводимые под руководством профессора Эрика Попа, показали, что полупроводниковые нанотрубки могут пропускать ток вдвое более высокой плотности.

В работе, результаты которой опубликованы в одном из научных изданий, авторы определили, что в напряженных электрических полях высокоэнергетические электроны и дырки могут создавать дополнительные электрон-дырочные пары, что приводит к лавинообразному процессу роста потока свободных носителей. При этом ток быстро нарастает до тех пор, пока нанотрубка не разрушается.

По мнению профессора Попа, крутое нарастание тока определяется всплеском лавинообразной ионизации – явлением, встречающимся в определенных видах полупроводниковых диодов и транзисторов в напряженных электрических полях, однако в нанотрубках до этого не наблюдавшимся.

Для исследования эффектов, связанных с протеканием тока, ученые вырастили одностенные полупроводниковые нанотрубки, используя метод химического напыления испарением. Для измерений использовали палладиевые электрические контакты. Эксперименты проводили в бескислородной среде.

Было обнаружено, что при увеличении напряженности электрического поля нарастание величины тока, проходящего через нанотрубки, в районе 25 микроампер замедляется, а затем резко возрастает с увеличением поля. Ученые довели ток через нанотрубки до значений порядка 40 микроампер, что вдвое превышает известные результаты.

«Лавинный процесс, который не наблюдается в металлических углеродных нанотрубках, дает новые возможности трубкам с полупроводниковыми свойствами, – сообщает Эрик Поп. – Результаты экспериментов говорят о том, что на основе полупроводниковых одностенных нанотрубок могут быть созданы устройства с высоконелинейными характеристиками включения». [16]

 

Преобразователи энергии

Механические преобразователи на основе нанопроводов могут получать энергию за счет вибрации, возникающей при ходьбе, сердцебиении, течении жидкостей или газов. Исследователи Georgia Institute of Technology предложили простой и недорогой способ генерации электрического тока при помощи пьезоэлектрических нанопроводов из оксида цинка, выращенных на текстильных волокнах. Одежда из такого материала будет вырабатывать электричество за счет трения, возникающего при ее эксплуатации.

Изображения чудо-волокон представлены на рисунке 5. Кевларовая сердцевина была покрыта нанопроводами ZnO в процессе гидротермального синтеза. В качестве связующего компонента использовался ТЭОС. Диаметр проводов составил 50-200 нм, длина – до 3.5 мкм. Нанопровода растут из пленки ZnO, которая выступает в роли общего электрода. Волокно оказалось очень гибким и прочным – при сворачивании его в петлю диаметром 1 мм не было замечено никаких повреждений.

Для получения электричества была разработана следующая схема (рис. 6). Два волокна были скручены в спираль, причем одно из них было покрыто слоем золота. Оно выступало в роли катода наногенератора. При трении волокон между концами цепи возникала разность потенциалов 1-3 мВ. Сила тока в цепи лимитируется сопротивлением волокон. Путем снижения сопротивления удалось добиться силы тока 4 нА. Объединение волокон в нити, из которых потом можно изготовить ткань, должно привести к увеличению производительности устройства. Ожидается, что таким образом будет достигнута мощность 20-80 мВт на квадратный метр такой ткани. [18]

Заключение

Открытие нанотехнологий, наноматериалов и углеродных нанотрубок в частности относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками.

Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.

К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала. Тем не менее такие свойства нанотрубок, как сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости и способность присоединять к себе различные химические радикалы, позволяют надеяться на эффективное применение нанотрубок в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успешного решения этих задач мы станем свидетелями еще одного примере эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.

Список использованной литературы

1. Схематическое изображение нанотрубки [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Nanotube_6_9-spheres.jpg, свободный.

2. Схематическое изображение способа сворачивания графитовой плоскости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Nanotube_6_9-spheres.jpg, свободный.

3. Ииджима С. Наблюдение многослойных углеродных микротрубочек / С. Ииждима // Nature. – 1991. - №7. – С. 56 – 58.

4. Оберлин А. Наблюдение за граффитированными волокнами под микроскопом высокого разрешения / А. Оберлин, М. Эндо, Т. Кояма // Carbon. – 1976 - №14 – С. 133 – 135.

5. Гибсон Дж. А. И. Первые нанотрубки / Дж. А. И. Гибсон // Nature. –1992. - №5 – С. 359 – 369.

6. Радушкевич Л. В. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте / Л. В. Радушкевич , В. М. Лукьянович // ЖФХ. – 1952. - № 26 – С. 88 – 86.

7. Косаковская З. Я. Нановолоконная углеродная структура / З. Я. Косаковская, Л. А. Чернозатонский, Е. А. Фёдоров // Письма в ЖЭТФ. – 1992. – № 56 – С. 26-28.

8. Корнилов М. Ю. Нужен трубчатый углерод / М. Ю. Корнилов // Химия и жизнь. – 1985. - №8. – 55-59.

9. Нанотрубки и фуллерены: учебное пособие / Э.Г. Раков . – М.: Логос, 2006. - 376 с.

10. Новые возможности для микроэлектроники [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://news.mail.ru/society/2933557, свободный.

11. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения / П.Н. Дьячков. – М.: Бином, 2006. - 293 с.

12. Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Carbon_spectrum_1_brill.jpg

13. Дираковские точки в спектре графитовой плоскости, продолженом периодически за пределы первой зоны Бриллюэна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Файл:Carbon_diracpoints.jpg, свободный.

14. Экситон [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Экситон, свободный.

15. Биэкситон [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Биэкситон, свободный

16. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры: новые материалы XXI века / П. Харрис. – СПб.: Техносфера, 2003. - 336 с.

17. Нанотрубки бьют рекорд сверхпроводимости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://experiment.edu.ru/news.asp?ob_no=12840, свободный.

18. Преобразователи энергии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/prop/pro/materials/functional/4cosmos/preobr, свободный.

19. Нанотехнологии и наноматериалы для атомной энергетики [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://popnano.ru/analit/index.php?task=view&id=570, свободный.

20. Водородная энергетика [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.portalnano.ru/read/prop/pro/materials/functional/4cosmos/energyh, свободный.

21. Внешний вид солнечных батарей на основе сенсибилизированных красок [Электронный ресурс]. – Режим доступа: torcuil.wordpress.com, свободный.

22. Углеродные нанотрубки заменят платину в солнечных батареях [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.lenta.ru/news/2008/06/18/solarcell/, свободный.

23. Ученые создали солнечные батареи на базе графена [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nanodigest.ru/content/view/282/1/, свободный.

24. Нанотехнологи увидели в крыле бабочки прототип солнечной батареи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://nanodigest.ru/content/view/344/1/, свободный.

25. Нано-сеть: новое слово в гибкой электронике: гибкая электроника не за горами [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://publichenko.ru/articles/folder-nano/list-42, свободный.

26. Дорожная карта по светодиодам [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://led22.ru/ledstat/nano/nano.html, свободный.

План

Введение

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

1.2 Классификация нанотрубок

1.3 История открытия

1.4 Структурные свойства

1.5 Возможные применения нанотрубок

1.6 Получение углеродных нанотрубок

2. Электронные свойства нанотрубок

2.2 Электронные свойства графитовой плоскости

2.3 Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

2.4 Ток в нанотрубках

2.5 Сверхпроводимость нанотрубок

2.6 Преобразователи энергии

3. Применение нанотрубок в энергетике

3.1 Использование наноматериалов в атомной энергетике

3.2 Нанотрубки в водородной энергетике

3.3 Солнечная энергетика и нанотехнологии

3.4 Нанотехнологии в электротехнике

3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Энергетика - это одна из наиболее важных отраслей промышленности, развитие которой практически сразу отражается на качестве жизни людей. От того, над чем работают сегодня ученые, какие идеи они считают перспективными, какие проекты востребованы коммерческим сектором, во многом зависит состояние энергетики нашей страны и мира в будущем. В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т.д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений.

В своем реферате я хотела бы рассмотреть наиболее успешные и перспективные разработки, которые уже реализуются на практике или будут востребованы в ближайшие годы. Здесь речь пойдет о наноматериалах, разрабатываемых для атомной энергетики, светодиодного освещения, электротехники, сверхпроводимости, водородной и солнечной энергетики.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки

Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Классификация нанотрубок

 

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.

По значению параметров (n, m) различают

· прямые (ахиральные) нанотрубки

· «кресло» или «зубчатые» n=m

· зигзагообразные m=0 или n=0

· спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m), делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

История открытия

Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода.

В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.

В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшая в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости [8].

Структурные свойства

Нанотрубки обладают упругими свойствами. Имеют дефекты при превышении критической нагрузки. В большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб. [9]

 

Возможные применения нанотрубок

 

· механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы

· применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы

· для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках

· капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки

· оптические применения: дисплеи, светодиоды

· медицина (в стадии активной разработки)

· одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

· трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.[10]

· листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.[10]