Применение нанотехнологий (1075549), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

Na3AlH6= 3 NaH + Al + 3/2H2

Почему всё-таки важно наноструктурирование таких материалов? Ответить на этот вопрос можно, если заметить такую вещь: железо во влажном воздухе никогда не ржавеет изнутри, реакция всегда идёт только на поверхности, и, сняв слой окисла, мы опять увидим чистый металл. Таким образом, скорость и полнота реакции определяются удельной поверхностью материала. Следовательно, для того, чтобы быстро «наполнить» сплавы водородом и быстро освободить его необходимо создать наноразмерные частицы этого материала. К тому же, некоторые соединения, например алюмогидриды, MgH₂ просто необходимо наноструктурировать, так как в объёмном состоянии они достаточно устойчивы, что не позволяет «добывать» из них водород. Авторы разработали метод получения наночастиц гидрида магния в пористой углеродной матрице и изучили влияние того, как наноразмерные эффекты и дополнительное взаимодействие с углеродной матрицей могут влиять на сорбционные свойства водорода. Другая группа учёных показала, что наностуктурированный интерметаллид MgNi₂ за несколько минут может «впитать» до 3 весовых % водорода при нагревании до 600K и некотором давлении, и при этом столь же быстро и эффективно высвобождать молекулы H₂. Возможно, что именно наструктурирование уже известных материалов позволит достигнуть рекордных значений содержания водорода.

Так же активно ведётся разработка каркасных материалов, так как теоретически их использование позволит достичь небывалых показателей насыщения водородом. Учёные из многих стран мира пытаются создать упорядоченные массивы нанотрубок, которые можно как баллоны заполнять водородом, а затем высвобождать его. В приведён обзор данной проблемы, из которого следует, что до коммерческого внедрения данного вида хранения водорода необходимо как минимум двухкратное увеличение количества сорбируемого водорода, а авторы показали возможность создания химически модифицированных углеродных структур с ёмкостью по водороду почти 7 весовых процента при 77 К, что уже намного ближе к заветным 8-10 весовым процентам. Эта норма установлена в США для коммерческого применения материалов для хранения водорода. Помимо обычных одностенных УНТ (рис.4), учёные пытаются применять другие подходы: использование многостенных УНТ с интеркалированием между коаксиальными трубками достаточно крупных катионов и внедрение в эти области молекул водорода. Однако существенного увеличения сорбции водорода пока не достигнуто. Но не только из углерода можно создать нанотрубки. Тубулярные структуры образуют многие вещества, к примеру, авторы предложили хранить H₂ в нанотрубках дисульфида молибдена. Обработка таких нанотрубок щёлочью создаёт большое количество дефектов, и, соответственно, уменьшает энергию сорбции водорода на поверхности, как внутренней, так и внешней. Учёные предполагают, что данный процесс является промежуточным между физической сорбцией в углеродных нанотрубках и химической сорбцией в гидридах металлов. Авторы другой работы предложили использовать кремниевые нанотрубки (рис.5), что позволило увеличить содержание с 2 до 3 весовых процента по сравнению с УНТ.

Поиск новых наноматериалов как для получения, так и для хранения и транспортировки водорода идёт непрерывно, ведь эффективного, экологически чистого и безопасного решения проблемы пока не найдено. Хотя некоторые из представленных здесь материалов и технологий уже успешно применяются в пока ещё опытных, но уже реально созданных устройствах, работающих на водородном топливе.

Следует ожидать, что в ближайшем будущем (ряд стран будут готовы к переходу на водородную энергетику к 2025-2050 годам, тогда как водородные автомобили вытеснят обычные бензиновые на 50% на европейском рынке к 2040 году [12]) освоение нанотехнологий позволит создать материалы с высоким коэффициентом сорбции водорода, а так же быстрой кинетикой его извлечения из материала (табл.1). Так же велика вероятность того, что разработка наноматериалов для получения, хранения и транспортировки H2 решит главную проблему на пути к водородной энергетике: что создавать раньше машины или инфраструктуру. Тогда устройства станут недорогими и общедоступными, а заправиться можно будет практически на любом перекрёстке, или просто выйдя из офиса на 5 минут на солнечное место.

Таб.1. Прогноз перспектив развития водородной энергетики.

Рис.5. Модель заполнения массива нанотрубок а) кремния и b) углерода при температуре 298 K и 10 МПа.

1. МИКРО- И НАНОМЕХАНИКА

   1. Нанотранспорт

Первый в мире грузовой транспорт молекулярного масштаба смог преодолеть расстояние в 500 нанометров вдоль монорельсовой дороги, имеющей соответствующие масштабы; путешествие заняло примерно полсекунды. Перефразируя Нила Армстронга, можно сказать, что этот шаг, микроскопический для человека, – огромный прыжок для нанотехнологий.

Уже на заре нанотехнологической науки ученые говорили в первую очередь о перспективах создания молекулярных машин, которые могут выполнять определенные задачи, перемещаться и по команде создавать себе подобных. Ранее учёным уже удавалось создавать наноразмерные устройства, выполняющие простейшие команды и прототипы самособирающихся нанороботов. Работа Адриана Бактольда и его коллег из Каталонского института нанотехнологий в Барселоне – первый серьёзный успех на «транспортном» направлении.

Идея перемещения различных грузов с помощью транспортных молекул, вообще говоря, не изобретение человека. Живые клетки используют такую методику для транспортировки необходимых молекул уже не один миллиард лет. Их транспортные механизмы построены на основе белковых молекул, перемещающихся вдоль определенных, заранее намеченных направлений внутри живой системы.

Учёным до сих пор удавалось направленное перемещение наноразмерных объектов лишь вдоль канавок на гладкой поверхности. Бактольду удалось продвинуться существенно дальше. Работа учёного и его коллег принята к публикации в Science.

Основа успеха – один из самых перспективных в нанообласти материал, углеродные нанотрубки. Собственно, первый в мире наномонорельс состоит из пары таких трубок. Испанским учёным удалось насадить один толстый и короткий фрагмент нанотрубки на другой – более тонкий и длинный. Получилось что-то наподобие муфтового соединения.

В нанометровых масштабах практически отсутствует трение материалов друг о друга, да и само понятие «трения» между молекулами существенно сложнее. Благодаря этому толстый обрезок нанотрубки – этот первый монорельсовый наночелнок, может свободно вращаться вокруг своей оси и перемещаться вдоль самого монорельса.

В 2003 году сотрудники Калифорнийского университета уже использовали такую конструкцию, чтобы сделать нечто вроде нанопропеллера с единственной лопастью – они также смогли насадить одну нанотрубку на другую и прикрепили к «ротору» этой конструкции наноразмерный лепесток слоистого материала. Однако использоваться в качестве транспортного средства такой пропеллер не мог – из-за тепловых колебаний «ротор» и «статор» беспорядочно вращались друг вокруг друга, и направить движение в определённом направлении было практически невозможно.

Заслуга Бактольда как раз и состоит в том, что его команде удалось обуздать тепловые колебания, причём не просто как-то «подавить» их, а использовать энергию этих случайных колебаний для направленного перемещения грузов.

Пары концов целого набора наномонорельсов ученые прикрепили к металлическим поддерживающим платформам, в то время как челноки, насаженные на трубку, висели, по сути, в воздухе. Затем исследователи прикрепили к челнокам по крупинки золота – однако вовсе не в качестве ценного груза, а как часть механизма.

Как несложно догадаться, за этими манипуляциями последовало приложение разности потенциалов к концам углеродного монорельса, в результате чего в системе потек электрический ток. При этом большинство из наночелноков начинали движение в сторону ближайшей металлической пластины, а некоторые оставались вращаться на прежнем месте.

Перемещение наночелнока с наногрузом золота по наномонорельсу

Принцип работы «нанодвигателя» оказался очень интересным. Как признался Бактольд в интервью Nature, сначала учёные решили, что перемещение транспортников происходит непосредственно под влиянием движущихся электронов. Однако таким образом невозможно было объяснить, почему при приложении одного и того же напряжения – и следовательно, течении тока одного и того же направления, челноки разъезжались в разные стороны.

Как оказалось, действие электронов сводилось к разогреву материала и увеличению интенсивности его тепловых колебаний. Направление движения наночелноков определялось градиентом температуры вдоль наномонорельса. Градиент поддерживался металлическими пластинами, постоянно отводящими тепло от концов углеродного провода. Таким образом, монорельс колебался наиболее интенсивно в середине, что и заставляло челнок двигаться по направлению к ближайшему концу нанотрубки.

Поток тепла от горячего участка нанотрубки к холодному технически можно описывать, как обмен так называемыми фононами – квантами волн упругости. И можно сказать, что именно эти кванты «двигали» наночелнок.

Вращение наночелнока с наногрузом золота на наномонорельсе

Скорость перемещения челнока в эксперименте – около 1 микрона в секунду. Примерно с такой же и даже чуть большей скоростью работают и транспортные молекулярные системы живых систем. Однако, по подсчётам учёных, подобные наномонорельсовые системы могут двигаться существенно быстрее, преодолевая расстояние в один микрон за одну стомиллионную долю секунды. Для того чтобы создать такие устройства, размер челнока и рельса придётся ещё более уменьшить, полагают создатели прототипа. Кроме того, подойдёт он далеко не для каждого груза – например, частички золота необходимый для повышения скорости нагрев нанотрубки уже не выдержат.

Ученые из Университета Райса создали автомобиль размером с молекулу, передвигающийся по микроскопической «трассе» из золота. Размер наномобиля всего 4 нанометра — в 20 000 раз тоньше человеческого волоса и в всего два раза толще спирали ДНК.

Наномобиль передвигается в направлении, перпендикулярном колесным осям (изображение с сайта www.media.rice.edu)

Конечно, творение американских физиков полноценным автомобилем назвать нельзя. Созданное ими транспортное средство состоит из шасси, двух осей и четырех шарообразных фуллереновых колес (каждое колесо представляет собой сферу из 60 атомов углерода). Джеймс Тур (James M. Tour), один из ведущих разработчиков, говорит о целях проекта так: «В конечном счете нам хотелось бы научиться перемещать нанообъекты и производить работы в молекулярном масштабе, и подобные наномобили могут послужить отличными испытательными образцами для этих целей».

Разным группам ученых и раньше удавалось создавать нанообъекты, по своей форме напоминающие автомобиль, однако эти объекты не могли ездить. Наномобиль же, собранный разработчиками из Университета Райса, действует подобно настоящему автомобилю, перекатываясь на своих четырех колесах в направлении, перпендикулярном колесным осям. Кевин Келли (Kevin F. Kelly) и его коллеги сделали измерения с помощью сканирующего туннельного микроскопа и представили экспериментальное подтверждение того, что наномобиль именно катится. «Относительно легко можно собрать нанообъект, который бы скользил по поверхности, — говорит Келли. — Доказать, что наш наномобиль катится, а не скользит, было одной из сложнейших частей проекта».

Компьютерная модель эксперимента показывает, что наноавтомобиль именно едет, а не скользит по золотой пластине (изображение с сайта www.media.rice.edu)

Быстрее всего разработчики сконструировали оси и шасси — на это ушло полгода. Трудности возникли при стыковке фуллереновых колес, которые никак не удавалось присоединить к осям, не разрушив при этом весь автомобиль. Проблема была связана с тем, что в качестве катализатора при сооружении осей и шасси использовался палладий, реакции с участием которого пришлись весьма не по душе фуллеренам (они имели обыкновение их прерывать). В конце концов, путем проб и ошибок, ученым удалось найти верный метод сборки.

Наномобиль начинает ехать лишь тогда, когда поверхность золотой «трассы» нагревается до температуры выше 170°C. По всей видимости, такое «прилипание» автомобиля к поверхности вызывается высокой силой электрического сцепления между золотом и фуллереновыми колесами. Если же температура золотой пластины составляет от 170 до 225 градусов, устройство передвигается за счет поступательных движений и вращения, напоминая дрезину.

Сейчас ученые активно развивают начатое дело: работают над созданием наноавтомобиля, управляемого с помощью света, а также наногрузовика, который смог бы перевозить молекулярный груз, пишет PhysOrg.

1. Пинцеты из углеродных нанотрубок

Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.

Характеристики

Список файлов книги