Один из наиболее перспективных аспектов углеродных нанотрубок – их гибкость, не сказывающаяся на выдающихся свойствах этого материала, в том числе прочности. Многие надеются, что они дадут нам гнущиеся электрические цепи, которые можно будет применить во встраиваемой в одежду электронике и полупрозрачных приборных досках/панелях.
Университет Южной Калифорнии (University of Southern California) – один из крупнейших исследовательских центров по работе с такими гибкими токопроводящими материалами.
Инженерная школа Вайтерби (Viterbi School of Engineering) продолжает работать над программой создания новых, тонких, гнущихся, прозрачных электронных элементов. Новые компоненты состоят из углеродных нанотрубок и металлических нанопроводов, погруженных в пленки из оксида индия.
Последние результаты программы – по-настоящему впечатляющий прозрачный конденсатор, который гнется и разгибается как игральная карта.
Среди множества возможных применений, создатели видят его во встроенных в вещи батареях для мобильных электронных устройств и в качестве источника питания для электронной бумаги.
Материал однажды может стать элементом питания для сетчаточных дисплеев, возвращающих зрение безнадежно ослепшим.
Устройство способно уместить в себе очень много энергии: 1,29 Вт•ч/кг с емкостью 64 Фарад/грамм. Традиционные конденсаторы обычно обладают значительно более скромными параметрами: примерно 0,1 Вт•ч/кг и накапливаемая емкость примерно в пару десятков миллифарад.
Созданное Калифорнийским университетом устройство разработано студентами-выпускниками По-Чианг Ченом (Po-Chiang Chen) и Савалоком Сукчароэнчоке (Sawalok Sukcharoenchoke) при участии научного сотрудника Гуоджена Шена (Guozhen Shen) под руководством профессора Чонгву Джоу (Chongwu Zhou).
Исследователи описывают: «Новые конденсаторы показали значительную емкость, плотность энергии и длительные операционные циклы по сравнению с конденсаторами, сделанными только из нанотрубок. Мы успешно изготовили прототип гибкого и прозрачного суперконденсатора, основанного на двух важных нанокомпонентах: углеродных трубках и проводах из оксида металла».
Изобретение состоит из четырех слоев: центрального тонкого слоя электролита, двух тонких пластиковых пластин, придающих гибкость и прозрачность, а также верхнего гетерогенного слоя пленки из нанопроводов оксида металла и углеродных нанотрубок.
В более ранние попытки создания суперконденсаторов вовлекались нанотрубки, графен и графит, но никогда – смесь металла и нанотрубок. Предыдущие результаты показали менее впечатляющие характеристики полученных материалов в сравнении с веществами, изготовленными из оксидов металлов, в т.ч. железа, марганца, рубидия.
Новые результаты намного лучше и потому созданные конденсаторы могут уверенно удерживать лидерство по сравнению со сделанными только из металлов.
Будучи весьма дефицитным, индий показывает себя как идеальный компаньон кремниевых нанотрубок. Он один из лучших кандидатов для прозрачных электрохимических конденсаторов.
В отличие от многих других публикаций по смежным темам, ученые предоставили в статье данные о способе изготовления устройства и его компонентов. Это опубликовано в Applied Physics Letters (Vol.94, Issue 4, Page 043113, 2009).
Исследование спонсировано Национальным научным фондом (National Science Foundation).
В дополнение, с повышением содержания индия 203 нанопровода равномерно распределялись по нанотубкам, что повышало емкость гетерогенных конденсаторов с 25,4 до 64 Фарад/грамм. В сравнении с суперконденсаторами сделанными из оксида другого металла, это наблюдение отражает стабильность индиевых нанопроводов и углеродных нанотрубок, что важно для длительного применения суперконденсаторов.
Нанотрубки превращаются в прозрачные конденсаторы
Ученые из России и Финляндии разработали прозрачный и гибкий суперконденсатор на основе пленки из углеродных нанотрубок. Высокопроизводительные устройства могут быть в будущем использованы для хранения энергии от электронов до фотовольтаики. Ученые опубликовали статью в журнале Nanotechnology. Кратко результаты работы представлены в пресс-релизе.
Прозрачные суперконденсаторы могут найти применение в таких продуктах, как умная одежда, умные окна для автомобилей и самолетов, сворачивающиеся дисплеи с автономным питанием, носимая оптоэлектроника и электронная кожа.
Ученые, в их числе сотрудники Сколковского института науки и технологии Альберт Насибулин и Алексей Цапенко, создали устройство под названием электромеханический двухслойный конденсатор.
Материалом для него послужили одностенные углеродные нанотрубки, обладающие удачной комбинацией свойств таких как большая площадь поверхности, высокая прочность, эластичность и способность противостоять очень высоким токам, которая важна для быстрой зарядки и разрядки.
Проблема в том, что из нанотрубок нужно сделать тонкие пленки, чтобы использовать в качестве электродов в супереконденсаторе. Существующие технологии создания таких пленок обладают недостатками, которые ограничивают их применение.
В этой работе ученые разработали новый метод создания тонкой пленки из одностенных углеродных нанотрубок с помощью одношагового синтеза аэрозоля.
Такая встроенная в суперконденсатор тонкая пленка показывает самую высокую прозрачность (92%), удельную емкость массы (178 F/g) и одну из самых высоких удельных емкостей поверхности (552 µF/cm2) в сравнении с другими гибкими, прозрачными суперконденсаторами на основе углерода. Пленка очень стабильна, ее емкость не деградирует после 10000 циклов заряда.
«Вместе с Таней Каллио мы сейчас работаем над новым типом растягивающихся и прозрачных суперконденсаторов из одностенных углеродных нанотрубок. Мы уверены, что можно создать прототип, который выдержит 100%-удлинение без деградации», — сказал Альберт Насибулин.
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
Физики создали растягивающийся в восемь раз суперконденсатор
Changyong Cao / Michigan State University
Американские физики разработали эластичный суперконденсатор, способный растягиваться в восемь раз, при этом оставаясь полностью работоспособным.
Он устойчив к повторяющимся растяжениям и сжатиям и теряет всего несколько процентов емкости после 10 тысяч циклов перезарядки.
В будущем, такой суперконденсатор может стать источником питания для гибких электронных устройств, пишут ученые в журнале Matter.
По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между стандартными конденсаторами и электрическими аккумуляторами. Они способны заряжаться и разряжаться гораздо быстрее аккумуляторов и обладают более высокой емкостью, чем обычные конденсаторы.
Поэтому их активно используют для питания устройств, которые потребляют большое количество энергии за короткое время. К таким устройствам можно отнести, например, вспышки фотоаппаратов. Инженеры не забывают и о способности суперконденсаторов к очень быстрой зарядке.
К примеру, беспроводная отвертка с суперконденсатором вместо аккумулятора заряжается всего за 90 секунд, хотя аккумуляторная версия проработает на одном заряде в два раза дольше.
Эластичные суперконденсаторы — главные претенденты на роль источников питания гибких электронных устройств. Ученые научились производить их из пленок, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). Используя пленки из прямых УНТ лесов, исследователи создали суперконденсатор емкостью 100 Ф г-1 при растяжении до 30 процентов от первоначальной длины.
Оказалось, что гораздо эффективнее ведут себя суперконденсаторы на «скомканных» УНТ (crumpling CNT), емкость которых вдвое выше предыдущих вариантов, а растягивать такой суперконденсатор можно на целых 800 процентов. Однако, оба варианта имеют свои недостатки.
Суперконденсаторы с прямыми УНТ лесами довольно быстро трескаются при попытке растянуть их, а «скомканные» УНТ леса демонстрируют высокое сопротивление в удлиненном состоянии.
Лес прямых (слева) и «скомканных» (справа) УНТ.
Yihao Zhou et al./ Matter, 2020
Группа ученых под руководством Ихао Чжоу (Yihao Zhou) из Университета Дьюка модифицировала технологию «скомканных» УНТ, добавив слой золота к пленкам из УНТ.
Таким образом, ученые решили проблему высокого сопротивления при большом растяжении суперконденсатора.
Вырастив лес из УНТ на кремниевой пластине, физики покрыли его тонким слоем золота, который снижает сопротивление устройства и позволяет ему заряжаться и разряжаться еще быстрее.
Технологический процесс выглядит следующим образом. Заготовку кладут на предварительно натянутую эластомерную подложку, заполняют гелем и дают подложке сжаться до исходного состояния.
Так физики запутывают нанотрубки и сминают золотой слой, который, помимо своей основной функции, помогает избежать растрескивания нанотрубок во время сжатия подложки. Полученные таким образом электроды заполняют гелевым электролитом и кладут друг на друга.
Теперь приложив разницу потенциалов к двум электродам, суперконденсатор можно зарядить. Одного заряда такого суперконденсатора хватит, чтобы питать наручные часы на протяжении полутора часов.
Процесс производства электрода суперконденсатора.
Yihao Zhou et al./ Matter, 2020
Ученым еще предстоит пройти долгий путь к созданию полностью эластичной электронной системы, считают авторы исследования. Их суперконденсатор пока не может обеспечить долгую работу портативного устройства. Но, вполне вероятно, что следующие его модификации уже станут частью системы эластичного устройства, наряду с растягиваемыми проводами, датчиками и детекторами.
Ранее ученые научились следить за отдельными ионами в суперконденсаторах, сделали для них элетроды из древесины и даже получили премию RUSNANOPRIZE.
Олег Макаров
Ученые придумали новый эластичный суперконденсатор, основанный целиком на нанотрубках
Предложен новый метод изготовления уникальных суперконденсаторов, основанных на электродах из однослойных углеродных нанотрубок и сепараторе из бор-нитридных нанотрубок.
Разработку представили ученые из Сколковского института науки и технологий (Россия) и Университета Аалто (Финляндия). Подобные конденсаторы могут использоваться в современной портативной электронике.
В настоящее время исследования в области гибких и эластичных суперконденсаторов сосредоточены на изготовлении подходящих для этих целей электродов, поскольку они больше всего влияют на производительность устройства. Однако помимо этого сепарирующий слой для таких суперконденсаторов по-прежнему остается относительно неизведанным элементом.
Помимо того, что сепараторные материалы для эластичных суперконденсаторов должны быть пористыми и химически стабильными диэлектриками, они должны выдерживать многочисленные тесты на изгиб и растяжение без появления серьезных структурных повреждений, чтобы их можно было использовать в носимой и портативной электронике.
Материалами, отвечающими вышеупомянутым требованиям, являются полимеры и электролиты на основе полимеров.
Однако, несмотря на их дешевизну и нетоксичность, такие материалы демонстрируют плохое смачивание водными электролитами и имеют слабую механическую прочность.
Кроме того, их толщина для суперконденсаторов достаточно велика (0,2 мм), что приводит к высоким внутренним сопротивлениям устройств на их основе.
Именно нанотрубки из нитрида бора (БННТ), которые использовались в данной работе, представляют собой диэлектрический наноматериал с уникальными прочностными и эластичными свойствами и, таким образом, считается идеальным для эластичных сепараторов. Другим ключевым компонентом суперконденсатора, как было упомянуто ранее, являются электроды, которые должны быть высоко проводящими и механически стабильными.
В данном проекте исследователи использовали пленки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ), поскольку такой материал имеет уникальную пористую структуру, высокую удельную площадь поверхности, низкое удельное электросопротивление и высокую химическую стабильность наряду с высокими прочностными показателями.
Сепаратор из БННТ толщиной всего 500 нанометров обеспечивает надежную защиту от короткого замыкания и низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) эластичного суперконденсатора.
Устройство, изготовленное в конфигурации тестовой ячейки для характеризации материалов, входящих в него, сохраняет 96% от его начальной емкости после 20 тыс.
циклов зарядки/разрядки при очень низком эквивалентном последовательном сопротивлении 4,6 Ом.
Эластичный прототип суперконденсатора выдерживает по меньшей мере 1000 циклов деформации на 50% растяжения от начальной длины при небольшом увеличении объемной емкости и объемной плотности мощности после растяжения. Кроме того, в сравнении с имеющимися устройствами такого типа, данный эластичный прототип имеет низкое сопротивление, равное 250 Ом.
«В этой работе мы выбрали пленки ОУНТ и БННТ в качестве электродов и сепаратора эластичного суперконденсатора соответственно, которые легко используются вместе благодаря их структуре, усиливающей связь на интерфейсе двух материалов и позволяющей тестировать и характеризовать устройство в целом при механическом растяжении.
Мы успешно решили проблему снижения толщины и сопротивления сепараторного слоя, сохраняя эластичные свойства устройства», — говорит первый автор статьи, опубликованной в журнале семьи Nature, Scientific Reports, аспирант Сколковского института науки и технологий Евгения Гильштейн.
«Технология изготовления таких суперконденсаторов очень проста, поскольку она основана на методах сухого осаждения и аэрографии. Благодаря своей стабильной работе устройство является перспективным для носимой электроники и гибких систем хранения энергии», — говорит профессор Сколковского института науки и технологий Альберт Насибулин.
Изображение сепаратора из БННТ, нанесенного на электрод из пленки ОУНТ, полученное сканирующим электронным микроскопом, (Б) спектры импеданса эластичного суперконденсатора (синим) после 1000 циклов растяжения на 25% удлинения (черным), 50% удлинения (красным); (В) циклические вольтамперометрические спектры изготовленного эластичного суперконденсатора (синим), растянутого на 25% (черным) и 50% (красным) после 1000 циклов растяжения
Надо сказать, что ученые уже работали над этим проектом в прошлом году. Однако в предыдущей работе сепаратора не было (точнее, сам электролит выступал в роли сепаратора), что приводило к деградации характеристик прибора, псевдоемкостным свойствам, а также большому эквивалентному сопротивлению устройства.
В данном проекте ученые оптимизировали структуру прототипа суперконденсатора: он по-прежнему эластичный, но теперь для предотвращения короткого замыкания при растяжении устройства был разработан сепаратор (пористый тонкий изолирующий слой), который состоял также из нанотрубок.
Дополнительную информацию можно прочитать по ссылке.
Предложено решение главной проблемы углеродных нанотрубок
Международному коллективу ученых из России и Японии удалось впервые продемонстрировать возможность контролируемого изменения хиральности углеродных нанотрубок.
Это приближает данные наноструктуры к практическому применению в электронике и высокоточной сенсорике и делает возможным создание уникальных нанотранзисторов размером менее 3 нанометров.
Помимо этого, был продемонстрирован эффект квантовой интерференции при комнатной температуре. Результаты исследования опубликованы в ведущем международном научном журнале Science.
Внимание к углеродным нанотрубкам не ослабевает с момента первого наблюдения их структуры в 1991 году. Это связанно с возможными технологическими приложениями, основанными на их уникальных фундаментальных свойствах.
Одной из особенностей углеродных нанотрубок является их хиральность, то есть закрученность структуры. Идеальная нанотрубка — это цилиндр, полученный при свертывании слоя графена, причём способ свёртки определяет не только структуру, но и электронные свойства нанотрубки.
С одной стороны, эта уникальная особенность привлекает внимание исследователей, с другой стороны — создаёт огромную проблему для дальнейших потенциальных приложений нанотрубок, так как именно хиральность определяет, металлом является нанотрубка или полупроводником, причём минимальное изменение «индекса хиральности» полностью меняет свойства нанотрубки.
В процессе синтеза в одном массиве могут вырасти нанотрубки и с металлическими, и с полупроводниковыми свойствами. Это делает невозможным массовое производство нанотрубок для электроники.
Ученые НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия), Национального института материаловедения (Цукуба, Япония) и др. предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства. Японская сторона провела экспериментальную часть, ученые НИТУ «МИСиС» разработали теорию, полностью объясняющую экспериментальные данные.
«Наши коллеги из Японии сделали блестящий эксперимент, в котором сочетание локального нагрева и механической деформации позволило менять локальную хиральность отдельных углеродных нанотрубок и таким образом контролировать их электронные свойства.
Впервые удалось наблюдать как нанотрубка постепенно меняет свою атомную структуру.
При этом, что особенно интересно, структура изменялась совершенно не так, как предсказывали ранее разработанные теоретические модели», — рассказал соавтор исследования, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», д.ф.-м.н. Павел Сорокин.
Как подчеркивают ученые, ранее теоретически предполагалось, что молекулярные переходы между металлическими и полупроводниковыми нанотрубками могут использоваться в качестве основных структур наноразмерных электронных устройств.
Коллектив разработал и создал внутримолекулярный транзистор, в котором локальная хиральность была изменена термомеханической обработкой в контролируемой среде просвечивающего электронного микроскопа.
«Мы разработали модель, согласно которой дислокации, отвечающие за изменение хиральности при пластичной деформации, образуются в результате испарения димера углерода при высокой температуре.
Расчёты энергии формирования дефектов показали, что энергетически предпочтительно возникновение строгой ориентации дислокаций, приводящих к постепенной трансформации любых углеродных нанотрубок к кресельному типу при пластичном растяжении, что полностью согласуется с результатами эксперимента наших коллег» — объясняет инженер НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС», к.ф.-м.н Сергей Ерохин.
«Синтезированные транзисторы имели длину канала всего 2,8 нанометров и демонстрировали когерентную квантовую интерференцию при комнатной температуре. Наши коллеги из ИБХФ РАН провели моделирование процесса интерференции электронов в нанотрубке, хорошо описывающее экспериментальные данные», — поясняет Павел Сорокин.
По мнению ученых, наблюдаемый эффект открывает путь к контролю свойств производимых нанотрубок, что решает самую главную проблему этого наноматериала.
Это позволит создавать самые маленькие в мире транзисторы без использования кремния. Они могут стать основой сверхсовременных гаджетов нового поколения. В настоящий момент коллектив продолжает исследования произведенных образцов для стабилизации полученного состояния нанотрубок.
Алевтина Черникова, ректор Университета «МИСИС»
«Павел Сорокин, д.ф.-м.н.
, ведущий научный сотрудник НИЛ «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСИС» — победитель открытого международного конкурса университета на получение грантов для поддержки научных исследований, проводимых под руководством выдающихся ученых, автор более 100 публикаций в ведущих международных изданиях.
Это талантливый молодой ученый, обладающий глубокими знаниями и эрудицией, уже получивший признание мирового академического сообщества. Область его научных интересов — одномерные и двумерные наноструктуры, физика поверхности, композиционные материалы.
В 2020 году Павел Сорокин стал лауреатом Премии Правительства Москвы молодым ученым в номинации «Физика и астрономия» за изучение наноматериалов с особой атомной структурой, их спинтронных и электронных свойств; в 2021 году получил ведомственную награду Министерства науки и образования РФ и нагрудный знак «Молодой ученый».
Работа была профинансирована в рамках Программы повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров (Проект 5–100).
Оптически активные дефекты улучшают углеродные нанотрубки | Капитал страны
9 Апреля 2021 9215 0 Наука и технологии
Свойства углеродных наноматериалов могут быть изменены и модифицированы путем преднамеренного внесения определенных структурных «несовершенств» или дефектов. Однако проблема состоит в том, чтобы контролировать количество и тип этих дефектов.
В случае углеродных нанотрубок — микроскопических трубчатых соединений, излучающих свет в ближней инфракрасной области — химики и материаловеды из Гейдельбергского университета под руководством профессора доктора Яны Заумсейл продемонстрировали новый путь реакции, позволяющий контролировать такие дефекты.
Это приводит к появлению определенных оптически активных дефектов — так называемых sp3-дефектов — которые более люминесцентны и могут излучать одиночные фотоны, то есть частицы света. Эффективное излучение ближнего инфракрасного света важно для приложений в телекоммуникациях и биологической визуализации.
Обычно дефекты считаются чем-то «плохим», что отрицательно сказывается на свойствах материала, делая его менее совершенным.
Однако в некоторых наноматериалах, таких как углеродные нанотрубки, эти «недостатки» могут привести к чему-то «хорошему» и открыть новые функциональные возможности. Здесь решающее значение имеет точный тип дефекта.
Углеродные нанотрубки состоят из свернутых листов гексагональной решетки sp2-атомов углерода, как и в бензоле. Эти полые трубки имеют диаметр около одного нанометра и длину до нескольких микрометров.
Посредством определенных химических реакций несколько атомов углерода sp2 решетки могут быть превращены в углерод sp3, который также содержится в метане или алмазе. Это изменяет локальную электронную структуру углеродной нанотрубки и приводит к оптически активному дефекту.
Эти sp3-дефекты излучают свет еще дальше в ближнем инфракрасном диапазоне и в целом более люминесцентны, чем нанотрубки, которые не были функционализированы.
Из-за геометрии углеродных нанотрубок точное положение введенных атомов углерода sp3 определяет оптические свойства дефектов.
«К сожалению, пока очень мало контроля над тем, какие дефекты образуются», — говорит Яна Заумсейл, профессор Института физической химии и член Центра перспективных материалов Гейдельбергского университета.
Ученый из Гейдельберга и ее команда недавно продемонстрировали новый путь химической реакции, который позволяет контролировать дефекты и селективно создавать только один конкретный тип дефекта sp3.
Эти оптически активные дефекты «лучше», чем любые из ранее внесенных «недостатков». Профессор Заумсейл объясняет, что они не только более люминесцентные, но и демонстрируют однофотонное излучение при комнатной температуре.
В этом процессе одновременно излучается только один фотон, что является предпосылкой для квантовой криптографии и высоконадежной связи.
По словам Саймона Сеттеле, докторанта исследовательской группы профессора Заумсейл, этот новый метод функционализации — нуклеофильное добавление — очень прост и не требует специального оборудования.
«Мы только начинаем изучать возможные применения. Многие химические и фотофизические аспекты все еще неизвестны. Однако цель состоит в том, чтобы создать еще лучшие дефекты», — утверждает Сеттеле.
Основная цель исследования — понять и спроектировать электронные и оптические свойства дефектов в углеродных нанотрубках, пишет phys.org.
«Химические различия между этими дефектами незначительны, и желаемая конфигурация связывания обычно формируется только в небольшом количестве нанотрубок.
Возможность производить большое количество нанотрубок с конкретным дефектом и с контролируемой плотностью дефектов открывает путь для оптоэлектронных устройств, а также — источники одиночных фотонов с электрической накачкой, которые необходимы для будущих приложений в квантовой криптографии», — говорит профессор Заумсейл.
Суперконденсаторы и нанотрубки
Нельзя не сказать о работах по использованию углеродных нанотрубок для создания СК с высокими характеристиками. Как указывалось ранее, CNT — наиболее перспективный материал для получения электродов большой эффективной площади. И сегодня активно изучаются возможности применения CNT в суперконденсаторах.
Так, в продолжение работ по созданию гибких и прозрачных элект-ронных устройств на основе CNT и металлических нанопроводов из оксида индия, которые проводят ученые Инженерной школы Витерби при Университете Южной Калифорнии, созданы суперконденсаторы с значениями энергетической плотности и удельной емкости 1,29 Вт·ч/кг и 64 Ф/г соответственно.
Конденсатор состоит из четырех слоев — центрального тонкого слоя электролита, двух тонких пластин из полиэтилентерефталата (PET), придающих гибкость и прозрачность, а также верхнего гетерогенного слоя пленки из нанопроводов оксида индия и углеродных нанотрубок.
По утверждению разработчиков, им удалось получить достаточно впечатляющие результаты благодаря сочетанию металлических нанопроводов из оксида индия и углеродных трубок. Выбор оксида индия обусловлен его широкой запрещенной зоной и малой длиной диффузионного пробега.
Пленку CNT получали вакуумным методом фильтрации. С помощью плоского полимерного штампа пленка отделялась от фильтрационной мембраны и переносилась на PET-подложку. Нанопровода оксида индия диаметром ~20 нм и длиной ~5 нм формировали методом импульсного лазерного осаждения, после чего диспергировали с помощью ультразвука в раствор изопропанола и равномерно распределяли по пленке CNT.
Та ким образом формировалась гетерогенная пленка In2O3/CNT. Испытания полученных суперконденсаторов показали, что с увеличением содержания In2O3 в нанопроводах удельная емкость конденсатора возрастает. Проведенные испытания также показали высокую стабильность СК на основе гетерогенных пленок In2O3/CNT и большое число рабочих циклов, что позволит создать конденсаторы с большим сроком службы.
Среди множества возможных применений СК на нанотрубках создатели указывают встроенные батареи мобильных электронных устройств, источники питания электронной бумаги. Конденсатор может стать и элементом питания сетчаточных дисплеев, возвращающих зрение ослепшим людям.
Интересные результаты получены совместными усилиями ученых Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и Стэнфордского университета. Ими созданы СК на основе одностенных углеродных нанотрубок с использованием материалов, допускающих применение обычных методов трафаретной печати.
СК изготавливался путем суспендирования углеродных нанотрубок в воде с помощью ультразвука и последующего напыления на PET-подложку воздушным пульверизатором, подобным распылителю струйнного принтера. Вода испарялась, оставляя два CNT-слоя толщиной 0,6 мкм.
В СК использовался гелиевый электролит, полученный путем смешивания порошкообразного поливинилового спирта и кислоты. Гель не растекается, что придает СК гибкость. Значения плотности энергии и мощности созданных таким образом СК составляли 6 Вт·ч/кг и 23 кВт/кг соответственно, сопротивление равно 40-50 Ом, оптическое пропускание — ~12%.
Правда, пока емкость СК недостаточна для его применения в каких-либо устройствах. Но полученные результаты показывают возможность создания нового класса печатных, гибких и прозрачных источников тока, способных заменить в различных устройствах литиевые батареи.
Сейчас усилия разработчиков направлены на повышение энергетической плотности созданных СК.
Суперконденсаторы и гибкая электроника
Появление современных гибких электронных устройств позволяет создавать новые системы, которые раньше нельзя было изготовить на основе несгибаемых компонентов. До сих пор реализовать такие системы не удавалось из-за отсутствия гибкого источника питания.
Но, по-видимому, сегодня из всех современных энергетических систем в первую очередь суперконденсаторы, с их высокими значениями плотности энергии и мощности, позволят реализовать совершенно новые устройства.
Основные исследования в области СК сейчас направлены на совершенствование материала электродов, и здесь большие надежды возлагаются на углеродные нанотрубки.
Несмотря на значительные средства, уже вложенные в индустрию традиционных аккумуляторов, сложность реализации суперконденсаторов и их достаточно высокую стоимость, широкое применение новых источников питания не за горами.
Суперконденсаторы. Разработка и производство в России
В СССР производство и применение суперконденсаторов началась еще в 60-70 г. прошлого столетия в НПО «Квант».
Использование суперконденсаторов позволит избежать провалов напряжения в больницах и на заводах, поможет экономить энергию, потому что он заряжается при торможении, и энергия не уходит в тепло. Его использование поможет снизить вред, наносимый выхлопными газами, в несколько раз.
Его можно заряжать от обычной розетки, и прослужит он не два-три года, как обычный аккумулятор, а пятнадцать лет. Ему не страшны низкие и высокие температуры, он практически не имеет ограничений по количеству зарядов и разрядов, а для полной зарядки достаточно 5-10 секунд.
Благодаря суперконденсатору можно значительно уменьшить аккумулятор автомобиля: суперконденсатор будет реаккумулировать энергию, затрачиваемую при торможении и возвращать ее в аккумулятор.
В России промышленное производство суперконденсаторов для пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различных транспортных средств, включая тепловозы, гибридного транспорта и специального применения осуществляется на предприятиях:
— ЗАО «ЭСМА», г. Троицк Московской обл.;
- — ЗАО «ЭЛИТ», г. Курск;
- — ООО «Технокор», г. Москва;
- — НПО «ЭКОНД», г. Москва;
— АО «Плескава», г. Псков — по лицензии НПО «ЭКОНД».
Более 90% всей продукции идет на экспорт.
Углеродные нанотрубки. Устройство и применение. Особенности
Углеродные нанотрубки– это материал, которым грезят многие ученые. Высокий коэффициент прочности, превосходная тепло- и электропроводность, огнестойкость и весовой коэффициент на порядок выше, чем у большинства известных материалов. Углеродные нанотрубки представляют свернутый в трубку лист графена. Русские ученые Константин Новоселов, а также Андрей Гейм за его открытие получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Впервые же наблюдать за углеродными трубками на поверхности железного катализатора могли советские ученые еще в 1952 году. Однако потребовалось пятьдесят лет, чтобы ученые смогли увидеть в нанотрубках перспективный и полезный материал.
Одним из поразительных свойств этих нанотрубок является то, что их свойства определяются геометрией. Так от угла скручивания зависят их электрические свойства — нанотрубки могут демонстрировать полупроводниковую и металлическую проводимость.
Виды
Многие перспективные направления в нанотехнологиях сегодня связывают именно с углеродными нанотрубками. Если просто, то углеродные нанотрубки представляют гигантские молекулы или каркасные структуры, которые состоят лишь из атомов углерода. Легко представить такую нанотрубку, если вообразить, что происходит сворачивание в трубку графена – это один из молекулярных слоев графита. Метод сворачивания нанотрубок во многом определяет конечные свойства данного материала
Естественно, что никто не создает нанотрубки, специально сворачивая их из листа графита.
Образуются нанотрубки сами, к примеру, на поверхности угольных электродов либо между ними при дуговом разряде. Атомы углерода при разряде испаряются с поверхности и соединяются между собой.
В результате образуются нанотрубки различного вида – многослойные, однослойные и с различными углами закручивания.
Основная классификация нанотрубок как раз идет по числу составляющих их слоев:
- однослойные нанотрубки – самый простой вид нанотрубок. Большая их часть из них имеют диаметр порядка 1 нм при длине, которая может получиться в тысячи раз больше;
- многослойные нанотрубки, состоящих из нескольких слоев графена, они складываются в форме трубки. Между слоями образуется расстояние 0,34 нм, то есть идентичное расстоянию между слоями в кристалле графита.
Устройство
Нанотрубки представляют протяженные цилиндрические структуры углерода, которые могут иметь длину до нескольких сантиметров и диаметр от одного до нескольких десятков нанометров.
В то же время сегодня имеются технологии, которые позволяют сплетать их в нити неограниченной длины.
Они могут состоять из одной или нескольких графеновых плоскостей, свернутых в трубку, которые обычно заканчиваются полусферической головкой.
Диаметр нанотрубок составляет несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. Стенки углеродных нанотрубок выполнены из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода.
Трубки могут иметь разный тип строения, именно он влияет на их механические, электронные и химические свойства. Однослойные трубки имеют меньше дефектов, в то же время после отжига при высокой температуре в инертной атмосфере удается получить и бездефектные варианты трубок.
Многослойные нанотрубки отличаются от стандартных однослойных существенно более широким разнообразием конфигураций и форм.
Синтезировать углеродные нанотрубки можно разными способами, но наиболее распространенными являются:
- Дуговой разряд. Метод обеспечивает получение нанотрубок на технологических установках для выработки фуллеренов в плазме дугового разряда, который горит в атмосфере гелия. Но здесь применяются иные режимы горения дуги: более высокое давление гелия и низкие плотности тока, а также катоды большего диаметра. В катодном осадке находятся нанотрубки длиной до 40 мкм, они растут перпендикулярно от катода и объединяются в цилиндрические пучки.
- Метод лазерной абляции. Метод базируется на испарении мишени из графита в специальном высокотемпературном реакторе. Нанотрубки образуются на охлажденной поверхности реактора в виде конденсата испарения графита. Данный метод позволяет преимущественно получать однослойные нанотрубки с контролем необходимого диаметра посредством температуры. Но указанный метод существенно дороже других.
- Химическое осаждение из газовой фазы. Данный метод предполагает подготовку подложки со слоем катализатора – это могут быть частицы железа, кобальта, никеля или их комбинаций. Диаметр нанотрубок, выращенных указанным способом, будет зависеть от размера используемых частиц. Подложка нагревается до 700 градусов. Для инициации роста нанотрубок вводятся в реактор углеродосодержащий газ и технологический газ (водород, азот или аммиак). Нанотрубки растут на участках катализаторов из металла.
Применения и особенности
- Применения в фотонике и оптике. Подбирая диаметр нанотрубок можно обеспечить оптическое поглощение в большом спектральном диапазоне. Однослойные углеродные нанотрубки проявляют сильную нелинейность насыщающегося поглощения, то есть при достаточно интенсивном свете они становятся прозрачными. Поэтому они могут применяться для разных приложений в области фотоники, к примеру, в маршрутизаторах и коммутаторах, для создания ультракоротких лазерных импульсов и регенерации оптических сигналов.
- Применение в электронике. На данный момент заявлено множество способов использования нанотрубок в электронике, однако реализовать удается лишь небольшую ее часть. Наибольший интерес вызывает применение нанотрубок в прозрачных проводниках в качестве термоустойчивого межфазного материала.
Актуальность попыток внедрения нанотрубок в электронике вызвано необходимостью замены индия в теплоотводах, которые применяются в транзисторах большой мощности, графических процессорах и центральных процессорах, ведь запасы этого материала уменьшаются, а цена на него растет
- Создание сенсоров. Углеродные нанотрубки для сенсоров – одно из наиболее интересных решений. Ультратонкие пленки из одностенных нанотрубок на данный момент могут стать наиболее лучшей основой для электронных сенсоров. Производить их можно с применением разных методов.
- Создание биочипов, биосенсоров, контроля адресной доставки и действия лекарств в биотехнологической отрасли. Работы в данном направлении сегодня вовсю ведутся. Высокопроизводительный анализ, выполняемый с использованием нанотехнологий, позволит существенно уменьшить время, которое нужно для вывода технологии на рынок.
- Сегодня резко растет производство нанокомпозитов, в основном полимерных. При введении в них даже небольшого количества углеродных нанотрубок обеспечивается существенное изменение свойств полимеров. Так у них повышается термическая и химическая устойчивость, теплопроводность, электропроводность, улучшаются механические характеристики. Усовершенствованы десятки материалов при помощи добавления в них углеродных нанотрубок;
— композитные волокна на основе полимеров с нанотрубками; — керамические композиты с добавками.
Увеличивается трещиностойкость керамики, появляется защита электромагнитного излучения, увеличивается электро- и теплопроводность; — бетон с нанотрубками – повышается марка, прочность, трещиностойкость, уменьшается усадка; — металлические композиты. Особенно медные композиты, у которых механические свойства в несколько раз выше, чем у обычной меди;
— гибридные композиты, в которых содержатся сразу три компонента: неорганические или полимерные волокна (ткани), связующее вещество и нанотрубки.
Достоинства и недостатки
Среди достоинств углеродных нанотрубок можно отметить:
- Множество уникальных и по-настоящему полезных свойств, которые можно применять в области внедрения энергоэффективных решений, фотоники, электроники, и иных приложений.
- Это наноматериал, который обладает высоким коэффициентом прочности, превосходной тепло- и электропроводностью, огнестойкостью.
- Улучшение свойств других материалов при внедрении в них небольшого количества углеродных нанотрубок.
- Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект, то есть они могут втягивать в себя расплавленные металлы и иные жидкие вещества;
- Нанотрубки сочетают в себе свойства твердого тела и молекул, что открывает значительные перспективы.
Среди недостатков углеродных нанотрубок можно отметить:
- Углеродные нанотрубки на данный момент не производятся в промышленных масштабах, поэтому их серийное применение ограничено.
- Стоимость производства углеродных нанотрубок высока, что также ограничивает их применение. Тем не менее, ученные усиленно работают над снижением себестоимости их производства.
- Необходимость совершенствования технологий производства для создания углеродных нанотрубок с точно заданными свойствами.
Перспективы
В ближайшем будущем углеродные нанотрубки будут применяться повсеместно, из них будут создаваться:
- Нановесы, композитные материалы, сверхпрочные нити.
- Топливные элементы, прозрачные проводящие поверхности, нанопровода, транзисторы.
- Новейшие нейрокомпьютерные разработки.
- Дисплеи, светодиоды.
- Устройства для хранения металлов и газов, капсулы для активных молекул, нанопипетки.
- Медицинские нанороботы для доставки лекарств и проведения операций.
- Миниатюрные датчики с ультравысокой чувствительностью. Такие нанодатчики могут найти применение в биотехнологических, медицинских и военных применениях.
- Трос для космического лифта.
- Плоские прозрачные громкоговорители.
- Искусственные мышцы. В будущем появятся киборги, роботы, инвалиды будут возвращаться к полноценной жизни.
- Двигатели и генераторы энергии.
- Умная, легкая и комфортная одежда, которая будет защищать от любых невзгод.
- Безопасные суперконденсаторы с быстрой зарядкой.
Все это в будущем, ведь промышленные технологии создания и использования углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе развития, а цена их крайне дорога. Но российские ученые уже заявили, что они нашли способ снизить стоимость создания этого материала в двести раз.
Эта уникальная технология производства углеродных нанотрубок на данный момент держится в секрете, но она должна произвести революцию в промышленности и во многих иных областях.
Загрузка...
