Углеродное волокно подготавливается для проверки адгезии к полимерной матрице. Исследователи ORNL используют полимерные нановолокна для повышения адгезии и эксплуатационных характеристик композитов из углеродного волокна.
Исследователи из Лаборатории национальной энергетики США (DOE) в Оук-Ридже разработали новый метод, использующий углеродные нанофибры для улучшения прочности связи в углеродных волокнах и полимерных композитах. Это достижение может повысить качество структурных материалов для автомобилей и самолетов, обеспечивая легкость и прочность.
Результаты, опубликованные в журнале Advanced Functional Materials, открывают новые возможности для американских производителей в сфере энергетики и национальной безопасности. Суруп Гупта, возглавляющий проект, отметил, что гибридный метод, соединяющий химическое и механическое связывание, обеспечивает значительное увеличение прочности и жесткости материалов.
Углеродное волокно, представляющее собой композит с углеродными нитями, сталкивается с проблемой недостаточной адгезии к полимерной матрице. Исследователи ORNL предложили комбинированный подход, который обеспечивает до 50% увеличение прочности на растяжение и почти двукратное увеличение жесткости.
Ключевым элементом метода является электроспinning, в котором полиацилонитрил экструируется в нити шириной около 200 нанометров. Изменяя параметры процесса, исследователи могут создавать нити, которые эффективно связываются с матрицей и образуют «мосты» между различными материалами.
Группа подала заявку на патент на новую технику и планирует сотрудничество с промышленными партнерами. Они также исследуют возможность применения углеродных волокон в гражданской инфраструктуре и обороне. Основное ограничение для широкого использования углеродных волокон — высокая стоимость, и улучшение адгезии позволит сократить количество используемого материала.
Команда использовала передовые инструменты для характеристики и визуализации на субмикронном уровне, включая рентгеновское рассеяние и ядерный магнитный резонанс. Исследователи также применили суперкомпьютер Frontier для моделирования взаимодействия волокон с матрицей.
Исследовательская группа планирует продолжить совершенствование технологии электроформования, чтобы обеспечить больший контроль и лучшие результаты, одновременно изучая возможности применения других композитов, армированных волокнами. В настоящее время ведутся исследования по интеграции новой технологии с предыдущими исследованиями по разработке самочувствительных композитов, которые могут контролировать свое состояние с помощью встроенных
С учетом растущего спроса на батареи, обладающие возможностями сверхбыстрой зарядки и высокой энергетической плотностью в различных секторах — от электромобилей до систем крупномасштабного хранения энергии (ESS) — совместная исследовательская группа из POSTECH (Поханского университета науки и технологий) и Корейского института энергетических исследований (KIER) разработала перспективный анодный материал нового поколения, который может удовлетворить эти критические потребности. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Графит, наиболее распространенный анодный материал в литий-ионных батареях (LIB), обладает высокой структурной стабильностью, однако ограничен низкой теоретической емкостью и медленными скоростями зарядки и разрядки. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи предложили новую конструкцию электрода, сочетающую жесткий углерод с оловом (Sn).
Жесткий углерод представляет собой неупорядоченный углеродный материал с множеством микропор и каналов, что способствует быстрой диффузии литиевых и натриевых ионов. Эта структура обеспечивает как высокую энергоемкость, так и механическую прочность, что делает ее идеальной для приложений с высокой скоростью и длительным сроком службы.
Тем не менее, внедрение олова создало новую проблему. Чем меньше частицы олова, тем эффективнее снижается проблемное объемное расширение в процессе циклирования, что повышает общую стабильность. К сожалению, низкая температура плавления олова (около 230 °C) затрудняет синтез таких мелких частиц. Исследовательская группа решила эту проблему с помощью процесса сол-гель, за которым последовало термическое восстановление, успешно внедрив равномерно распределенные суб-10 нм наночастицы олова в матрицу жесткого углерода.
Полученная композитная структура демонстрирует функциональный синергизм, выходящий за рамки простого физического смешивания. Наночастицы олова не только выступают в качестве активных материалов, но и служат катализаторами, способствующими кристаллизации окружающего жесткого углерода. В процессе электрохимического циклирования обратимое образование связей Sn–O способствует увеличению емкости батареи за счет конверсионных реакций.
Созданный электрод продемонстрировал отличные характеристики в литий-ионных ячейках, сохраняя стабильную работу более 1,500 циклов при условиях быстрой зарядки за 20 минут, достигая 1.5-кратной увеличенной объемной энергетической плотности по сравнению с традиционными анодами из графита. Это достижение представляет собой успешную интеграцию высокой мощности, высокой энергии и длительного срока службы в одном электроде.
Примечательно, что электрод также демонстрирует выдающиеся характеристики в натрий-ионных батареях (SIB). Натриевые ионы, как правило, показывают низкую реактивность с традиционными анодными материалами, такими как графит или кремний. Тем не менее, композитная структура жесткий углерод-олово сохраняет отличную стабильность и быструю кинетику в натриевой среде, подчеркивая свою универсальность на различных платформах батарей.
Профессор Соджин Парк из POSTECH заявил: «Это исследование представляет собой новую веху в разработке высокоэффективных батарей следующего поколения и обещает найти применение в электромобилях, гибридных системах и крупномасштабных ESS».
Доктор Гюджин Сонг из KIER добавил: «Создание анода с одновременно высокой мощностью, стабильностью и энергетической плотностью, а также его совместимость с натрий-ионными системами, знаменует собой поворотный момент на рынке перезаряжаемых батарей».
Эта работа была проведена профессором Соджином Парком, доктором Сунхо Чоем и доктором Донг-Йобом Ханом в POSTECH в сотрудничестве с доктором Гюджином Сонгом из KIER.
Кислород — это тот самый газ, без которого жизнь, как мы ее знаем, просто не могла бы существовать. Благодаря своим реактивным свойствам он принимает участие в множестве химических процессов, от дыхания живых организмов до различных промышленных приложений. Однако, несмотря на нашу повседневную зависимость от кислорода, способы его измерения до недавнего времени оставались довольно громоздкими и сложными.
Методы измерения кислорода имеют множество критически важных областей применения: от анализа выхлопных газов до контроля качества продуктов питания и медикаментов. К тому же, мониторинг содержания кислорода в окружающей среде становится все более актуальным, особенно в условиях глобальных изменений климата и экологических кризисов. Поэтому точные и удобные сенсоры — это именно то, что нам нужно!
Недавно команда ученых из ETH Цюрих под руководством профессора Мáté Бездек представила революционный светочувствительный сенсор, который меняет правила игры. Этот новый сенсор не просто маленький и недорогой — он также довольно чувствителен и способен обнаруживать кислород в сложных газовых смесях даже в условиях повышенной влажности. А еще он минимально потребляет электроэнергию. Наверняка, это мечта, не так ли?
Лионель Веттштейн, аспирант группы профессора Бездека, отметил, что многие традиционные методы измерения кислорода часто заставляют нас выбирать между чувствительностью и надежностью. Например, одни сенсоры могут быть очень чувствительными к кислороду, но прихотливы в плане условий эксплуатации, в то время как другие менее чувствительны, но игнорируют мешающие газы.
Необходимость компактности, высоких показателей чувствительности и долговечности — вот что делает новое устройство настоящим универсалом. Это значит, что его можно использовать для анализа выхлопных газов автомобилей, мониторинга экологических систем, а также в портативных устройствах, которые могут применяться в реальном времени.
Команда создала сенсор, использующий уникальный подход с комбинированием диоксида титана и углеродных нанотрубок. Диоксид титана сам по себе не слишком эффективен при низких температурах, но добавление углеродных нанотрубок решает эту проблему, позволяя устройству работать при комнатной температуре. Этот умный ход, в сочетании с фотосенсибилизаторами, активно регулирует взаимодействие сенсора с кислородом, изменяя его электрическое сопротивление при наличии этого газа.
Команда уже подала заявку на патент и активно ищет партнеров для коммерциализации разработки. По данным аналитиков, рынок таких сенсоров может достигать 1,4 миллиарда долларов в год. К тому же, ученые не собираются останавливаться на кислороде: в планах исследовать возможности сенсоров для других экологических газов, таких как загрязнители на основе азота, которые, как известно, вызывают проблемы с переудобрением в сельском хозяйстве.
Нас ожидает захватывающее время. Этот миниатюрный, универсальный сенсор может стать важным шагом к более чистой планете и лучшему контролю за экологической ситуацией. Давайте надеяться, что благодаря таким новым технологиям мы сможем лучше заботиться о нашей окружающей среде и понять, как лучше управлять нашими ресурсами!
Израильский стартап разработал способ увеличить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов в четыре раза, что разрушило многомиллиардную индустрию и потенциально сделало их наиболее популярным способом хранения энергии, пригодным для подзарядки и вторичной переработки, во всем мире.
(Изображение: Depositphotos)
Свинцово-кислотная технология производства аккумуляторов является второй по распространенности в мире, и в настоящее время элементы питания используются в качестве стартерных аккумуляторов в легковых автомобилях, грузовиках и мотоциклах.
Батареи имеют положительную пластину из диоксида свинца на одном конце и губчатую свинцовую отрицательную пластину на другом конце, между которыми протекает серная кислота для проведения электричества.
Несмотря на то, что они дешевле в производстве, чем их основные конкуренты - литий-ионные аккумуляторы, они не столь энергоэффективны и имеют меньший срок службы.
Но компания Salvation Battery обнаружила, что размещение углеродных нанотрубок – крошечных, сверхпрочных и высокопроводящих трубчатых цилиндров из атомов углерода – на одном конце свинцово-кислотной батареи увеличивает срок ее службы в четыре раза.
Salvation утверждает, что углеродные нанотрубки могут изменить возможности свинцово-кислотных аккумуляторов (Изображение: Архив)
Стартап считает, что его добавка из нанотрубок может оказать серьезное влияние на рынок накопителей энергии, даже обогнав литий-ионные аккумуляторы в качестве первого варианта решений для хранения энергии.
По данным Allied Market Research, в 2020 году мировой рынок аккумуляторных батарей оценивался в 90 миллиардов долларов, а к 2030 году, по прогнозам, он достигнет 150 миллиардов долларов.
“Нам нужно больше систем хранения данных в сети. Большинство решений для хранения данных - это литий-ионные аккумуляторы, которые полностью захватили рынок. Но по-прежнему существует большая потребность в хранилищах по всей сети, в которых свинцово-кислотные аккумуляторы с более длительным сроком службы могут быть лидером”, - говорит директор Salvation Battery Дэвид Вайманн (David Waimann), NoCamels.
Компания Salvation считает, что ее аккумулятор может даже заменить литий-ионные аккумуляторы на рынке электромобилей (EV), став первым выбором для производителей электромобилей.
Компания утверждает, что они могут работать на электромобиле такое же количество времени от батареи, размер которой в четверть меньше аккумуляторов, используемых сегодня в транспортных средствах, экономя огромное количество места и делает автомобиль более безопасным в случае столкновения, при котором батарея выходит из строя и опасные материалы, находящиеся внутри, становятся видны.
По словам Дэвида, хотя производители автомобилей не ставят перед собой цели заставить свои электромобили работать намного дольше, чем сегодня, возможность преодолевать те же расстояния на меньшей по размеру батарее очень привлекательна.
«Если батарея может быть меньше половины размера, тогда это дешевле и лучше для автопроизводителя», — говорит он.
Батареи Salvation можно использовать как в электромобилях, так и в транспортных средствах, работающих на газе (Фото: Pexels)
Литий-ионные аккумуляторы являются нынешним лидером на рынке электромобилей и накопителей энергии, но они могут быть ненадежными и опасными. Существуют серьезные глобальные опасения по поводу добычи литий-ионных материалов — отрасли, в которой доминируют Китай и Россия.
Также существуют опасения по поводу переработки литий-ионных аккумуляторов. При неправильной переработке они могут стать причиной загрязнения окружающей среды и пожаров, а также выделять токсичные химические вещества, вредные для здоровья людей и дикой природы.
Напротив, свинцово-кислотные батареи более экономичны, легко перерабатываются, устойчивы к перезарядке и более безопасны с точки зрения пожароопасности по сравнению с литий-ионными батареями. Кроме того, свинец менее вреден для окружающей среды, чем литий.
«Нас не беспокоит нехватка свинца в мире, и там не доминирует Китай», — говорит Дэвид. «Во-вторых, это совершенно безопасно, поскольку литий может иногда взорваться».
Он объясняет, что 99 процентов всех свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатываются, в том числе не менее 70 процентов тех, которые мы находим в наших автомобилях.
«Вы просто вынимаете анод и катод как например в Израиле и отправляете их на завод в Ашдоде, где они перерабатывают их», — говорит он.
Battery Council International, ведущая торговая ассоциация отрасли в Северной Америке, заявляет, что свинцово-кислотные аккумуляторы известны своей безопасностью в производстве, транспортировке, использовании и переработке.
Хотя они являются крупнейшим потребителем свинца, выбросы от их производства составляют менее 1 процента от общего объема выбросов свинца в США. Кроме того, большая часть воздействия свинца на человека происходит из старых источников металла, таких как этилированная краска, бензин, керамика и водопроводные трубы, а не из батарей.
Неправильная утилизация литий-ионных аккумуляторов может нанести вред окружающей среде (Фото: Depositphotos)
Технический директор компании Salvation Battery Томер Зимрин придумал идею использования нанотрубок во время исследования эффективности свинцово-кислотных аккумуляторов и обнаружил способ манипулировать аккумулятором, чтобы сделать его на 400 процентов более долговечным.
Объединившись с серийным предпринимателем Вайманном в 2020 году, они основали Salvation Battery, чтобы вывести на рынок разработку Зимрина.
«То, что Томер обнаружил – было крупным прорывом в технологии аккумуляторов, затронувшим второй по важности тип аккумуляторов в мире», – говорит Вайманн.
Компания, базирующаяся в Рамат-Гане, быстро получила поддержку венчурных капиталистов и исключительно положительные отзывы от отраслевых экспертов, включая, по словам Дэвида, проверку технологии от 10 международных ученых со всего мира.
Salvation Battery использует строгую бизнес-модель, продавая свою запатентованную технологию нанотрубок только в качестве дополнения к батареям во время производственного процесса.
Их первоначальный целевой рынок — производство свинцово-кислотных аккумуляторов в ЕС, а затем и во всем остальном мире. Компания уже подписала соглашение с немецким производителем свинцово-кислотных аккумуляторов о начале использования нанотрубок Salvation в своей продукции.
«Мы будем производить специализированные углеродные нанотрубки и подвергать их нашей собственной запатентованной технологии, а затем продавать эти специализированные добавки к нанотрубкам всем производителям аккумуляторов по всему миру», — говорит Дэвид.
Salvation Battery планирует внедрить свою технологию в каждую разрабатываемую свинцово-кислотную батарею, что позволит им вернуть себе титул самой надежной батареи в мире.
Дэвид даже объясняет, что название Salvation связано с намерением компании вдохнуть новую жизнь в индустрию свинцово-кислотных аккумуляторов.
«Мы хотели бы стать частью новой удивительной отрасли в Израиле, которая будет поставлять высокоэффективные присадки для аккумуляторов по всему миру», — говорит Дэвид.
Израильская компания разработала промышленные добавки на основе наноматериалов, которые позволяют создавать легкие и экологичные материалы, что делает их идеальным компонентом для улучшения свойств пластмасс, используемых в самолетах, поездах и даже автомобилях.
(Courtesy)
Запатентованные добавки, разработанные компанией Nemo Nanomaterials из Петах-Тиквы , могут производиться серийно и дополнять широкий спектр деталей. Добавки созданы на основе одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ).
Название компании происходит от концепции «Нано-улучшенный материал будущего», которую основатели сократили до «Немо», а также думают о капитане Немо и его путешествиях, в которых фантастические идеи стали реальностью.
Вице-президент по развитию бизнеса Джонатан Антеби говорит, что он и соучредитель и генеральный директор Александр Зиниград начали разработку добавок на основе УНТ после того, как осознали потенциал существующих наноматериалов для улучшения различных видов пластмасс и других промышленных материалов.
NemoBLEND – мастербатчи (концентрированные смеси) для промышленности пластмасс (Фото предоставлено)
И вот в 2018 году Антеби, ветеран индустрии пластмасс, и Зиниград, эксперт в области трансфера и коммерциализации технологий, начали работу над разработкой масштабируемой технологии производства добавок на основе УНТ. Научно-исследовательскую деятельность компании возглавляет доктор Илана Хаймов, опытный исследователь в области наноматериалов, которая присоединилась к компании с первого дня ее существования.
«Мы создали Nemo, чтобы воплотить обещания в области наноуглеродов в промышленную реальность», — рассказал Антеби NoCamels.
Они придумали продукт под названием NemoBLEND – мастербатчи (концентрированные смеси) для индустрии пластмасс.
По словам Антеби, NemoBLEND можно использовать в двух различных типах промышленных решений.
Во-первых, это электропроводность, поскольку, несмотря на то, что металл не обладает прочностью в качестве проводника, добавки по-прежнему остаются мощными. Их можно использовать при низком уровне электричества, в первую очередь для устранения необходимости использования металлического слоя в качестве проводника во многих изделиях.
Второе — электромагнитные помехи. Добавки встраивают в различные типы пластиков, чтобы предотвратить нарушение нормальной работы электронных устройств, которое обычно вызывается электромагнитными сигналами.
К таким устройствам относятся чувствительные продукты, такие как радиолокационные системы или электронные датчики, которые особенно уязвимы к этим сигналам.
Присадки Nemo могут использоваться производителями как электромобилей, так и топливных автомобилей, самолетов и локомотивов
«Мы обеспечиваем защиту от электромагнитных помех (предотвращение электромагнитных помех в пластике), а также проводимость, а также способность иметь дополнительные свойства, такие как огнестойкость, и при этом сохранять механические свойства», — говорит Антеби.
И хотя большинство электропроводящих изделий из пластика доступны только в черном цвете, NanoBLEND позволяет клиентам Nemo производить проводящие цветные изделия.
Nemo совместно выиграла недавнюю премию Climate Solution Prize в категории стартапов , разделив награду в размере 1,3 миллиона долларов с шестью другими молодыми израильскими компаниями в рамках инициативы по поощрению инноваций в этой области.
Конкурс назвал Nemo «изменителем правил игры» в области воздействия производства на окружающую среду, в частности, в отношении металлообработки.
«NemoBLEND чрезвычайно универсален и может использоваться при производстве практически любых изделий, включающих пластик», — объясняет Антеби. По его словам, присадки Nemo могут использоваться производителями как электрических, так и топливных автомобилей, электронных товаров, медицинского оборудования, самолетов и локомотивов.
Александр Зиниград (слева) и Джонатан Антеби (справа) (Courtesy)
Кроме того, по его словам, добавки Nemo экономически эффективны для производителей, поскольку они уменьшают количество необходимого пластика и снижают цены на продукцию. Их также легко хранить и сохранять целостность до тех пор, пока они не понадобятся.
Стартап получил финансирование от Управления инноваций Израиля (правительственного ведомства, занимающегося продвижением сектора высоких технологий страны), а также от частных инвесторов. Компания также начала продавать добавки в США и Европе.
Антеби видит будущее компании, в котором NemoBLEND будет использоваться во всех отраслях, становясь постоянным компонентом для многих производителей, и благодарит своих коллег за то, что они превратили мечту в устойчивую реальность.
«Команда экспертов – инженеров, специалистов по механическим пластмассам и химии – позволила нам взять идею и превратить ее в действующую и работающую технологию», – говорит он.
Вся современная микроэлектроника основана на транзисторах. Их дальнейшая миниатюризация становится всё более сложной и дорогой, а скоро станет и вовсе невозможной, потому что нельзя создать на основе кремния работоспособный транзистор с длиной управляющего элемента — затвора — меньше нескольких нанометров. Однако транзисторы могут быть основаны не только на «классических» полупроводниках. Об этом — сегодняшний материал с семинара «Актуальная наука» в Политехническом музее.
После перехода на техпроцесс 28 нм в промышленности впервые сложилась ситуация, когда транзистор последующего поколения стоил больше, а не меньше, чем транзистор поколения предыдущего. На сегодняшний день осталось лишь три компании, которые продолжают миниатюризацию ниже норм 28 нм — Intel, TSMC и Samsung.
В качестве перспективного материала для новых, более миниатюрных транзисторов давно рассматривались углеродные нанотрубки. За счёт своей кристаллической структуры они сохраняют полупроводниковые свойства при значительно меньших размерах. Например, затвор с их помощью можно сделать почти в 20 раз короче, чем в самых миниатюрных кремниевых транзисторах.
Инвертор, построенный по новой технологии
В прошлом году группа учёных из MIT под руководством Макса Шулакера создала полнофункциональный микропроцессор RV16XNano, транзисторы которого используют углеродные нанотрубки. Процессор исполняет 32-битные инструкции, хотя разрядность шин адреса и данных ограничили 16 битами. В отличие от предыдущих разработок, представлявших собой не более чем proof of concept (проверку концепции), данный процессор способен исполнять все типы инструкций архитектуры RISC-V и может использоваться для прикладных вычислений. По традиции первой разработчики запустили на нём программу, выводящую слова «Hello, World!».
Ядро процессора (вспомогательные структуры по периметру не показаны)
Процессор содержит 14 702 транзистора. Это много в сравнении с предыдущими процессорами на основе нанотрубок (178 транзисторов) и близко к характеристикам ранних «кремниевых» процессоров. Например, первый в истории микропроцессор содержал 2300 транзисторов, а первый процессор архитектуры x86 — около 29 000.
О миниатюризации пока говорить не приходится: техпроцесс исчисляется тысячами нанометров.
Размер кристалла составляет 7 × 7 мм; суммарно в транзисторах около 10 млн нанотрубок
Процессор имеет 5 слоёв металлизации
В ходе изготовления процессора учёным пришлось столкнуться с проблемами, нехарактерными для чисто «кремниевой» электроники. Например, выяснилось, что нанотрубки склонны запутываться, как наушники агрегироваться в большие скопления, которые делают транзистор неработоспособным. Чтобы избавиться от них, авторы предложили технологию под названием RINSE («промывка, полоскание»).
Нужно нанести на поверхность слоя нанотрубок небольшой объём фоторезиста, отвердить его, а затем воздействовать на пластину ультразвуковыми колебаниями. При этом скопления отделяются, а монослой нанотрубок остаётся на месте благодаря удерживающему его фоторезисту. В дальнейшем фоторезист растворяют.
Борьба со скоплениями по технологии RINSE
Важно, что созданный процессор — это не просто единичный образец. Учёные доработали существующие САПР, изначально рассчитанные под кремниевые транзисторы, и создали библиотеку стандартных ячеек. Теперь всё это можно использовать для создания сложных схем на базе нового материала. А это значит, что у технологии есть перспективы промышленного применения.
Технология производства состоит более чем из 100 этапов
Предполагается, что процессоры на углеродных нанотрубках смогут стать втрое быстрее и энергоэффективнее своих кремниевых аналогов.
Ученые из «Сколтеха» и их коллеги разработали методику, которая позволяет очень тонко менять оптические и электронные свойства нанотрубок, покрывая их различными легирующими составами. Первые итоги опытов с ними были представлены в «Journal of Physical Chemistry Letters».
«Наш метод позволяет легко настраивать проводимость, положение уровня Ферми и другие параметры для плёнок из однослойных углеродных нанотрубок. Всё это достигается путём варьирования времени осаждения аэрозольных частиц содержащих легирующие элементы», — рассказывает Алексей Цапенко, аспирант «Сколтеха».
С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году ученые считали, что их ожидает большое будущее в современной промышленности. У них есть множество полезных свойств — они хорошо проводят тепло и ток, отличаются высокой прочностью и механической устойчивостью. Но первые же опыты показали, что нанотрубки очень сложно использовать на практике из-за их малых размеров и сложностей в их соединении и сплетении в единые волокна.
Большие проблемы, как обнаружили ученые, создает и то, что характеристики нанотрубок резким образом меняются при увеличении их диаметра или повышении числа слоев внутри них. По этой причине большая часть наноматериалов изготавливаются из нанотрубок конкретной толщины и длины, и ошибки при их выращивании часто делают подобную продукцию бесполезной.
На этом, как отмечают Цапенко и его коллеги, обработка нанотрубок не заканчивается. Для их применения в электронике, сочетающей в себе как световые, так и электрические компоненты, необходимо очень четко задать их электрическую проводимость и полупроводниковые свойства, что для чистого углеродного материала сделать достаточно затруднительно.
«На данный момент для увеличения проводимости нанотрубок наиболее часто используют один из трёх методов нанесения легирующих элементов: прокапывание, раскрутка или погружение в раствор. Хотя эти методы и позволяют снизить сопротивление плёнок из нанотрубок примерно в 15 раз, они обладают рядом недостатков, среди которых — пространственная неоднородность и сложность масштабирования», — объясняет Цапенко.
Цапенко и его коллеги по «Сколтеху», а также физики из Финляндии и Эстонии, создали новую методику обработки нанотрубок, которая позволяет очень равномерно и точно наносить легирующие составы на неограниченно большое количество нанотрубок.Для осуществления этой операции необходимо достаточно простое устройство, порождающее поток из микроскопических капелек спирта, содержащих в себе соли золота или других веществ, которыми планируется «покрасить» углеродные наночастицы. Если пропустить через него струю сжатого воздуха и направить ее на пленки из нанотрубок, они равномерно покроются этим раствором.
После того, как обработка материала заканчивается, капли высыхают, и на поверхности трубок возникает слой из соединений золота или других легирующих веществ с четко выверенной толщиной.Благодаря этому ученые смогли понизить сопротивление пленок в 25 раз и улучшить их полупроводниковые характеристики, не сильно уменьшив их прозрачность и прочие оптические свойства.Схожим образом, по словам Цапенко, можно обрабатывать и другие наноматериалы, а также встраивать в них наночастицы из золота и других металлов, интересным образом меняющие их свойства. Все эти опыты, как надеются ученые, ускорят создание «компьютеров будущего» и помогут сделать их более быстрыми и экономичными.
Ничего не подозревающие шелкопряды поедают листья шелковицы, опрыснутые двухпроцентной взвесью графена
Тутовый шелкопряд — относительно крупная одомашненная бабочка, которую китайцы как минимум 5000 лет используют для производства шёлка (вероятно, после нескольких столетий или тысячелетий селекции). Долгое время Китай был мировым монополистом, поставляя красивую ткань в Европу по торговому пути, который назвали Шёлковым путём. Потом византийцы выкрали яйца шелкопряда, а затем и европейцы добыли их благодаря крестовым походам.
Впрочем, здесь не о хитрых китайцах с их тысячелетними бизнес-планами, а об уникальном материале, которым является шёлк сам по себе. Это натуральный белок, один из самых прочных в природе. Волокно состоит на 75% из фиброина и на 25% из серицина. Под микроскопом заметны две параллельно идущие нити фиброина с комкообразными налётами серицина. Кроме них, в шёлке присутствуют воски и жиры, а также минеральные вещества. Ширина шёлковой нити 32 мкм, длина может достигать 1,5 километров. Разрывное напряжение около 40 кгс/мм2.
Шёлк — выдающийся материал, и учёные предпринимали неоднократные попытки улучшить шёлковое волокно с помощью различных функциональных компонентов, таких как краски, флуоресцентные протеины, антимикробные средства, наночастицы металлов/полупроводников, а также электропроводящие полимеры.
Для модификации шёлкового волокна применяется две основные стратегии: модификация готовой нити и обогащение материала в процессе его производства (пищеварения) внутри шелкопряда. Первый из этих техпроцессов довольно сложный, многоэтапный и требует применения ядовитых реагентов. Для сравнения, недавно изобретённый способ обогащения шёлка внутри шелкопряда — вполне экологически чистый и относительно простой процесс. Нужно только посадить шелкопрядов на диету.
Учёные с химического факультета и центра нано- и микромеханики Университета Цинхуа (Пекин) предложили новый способ обогащения шёлкового волокна с помощью углеродных нанотрубок и графена.
Углеродные нанотрубки и графен обладают великолепными механическими характеристиками и широко используются в производстве высокопрочных материалов. Было несколько попыток добавить углеродные нанотрубки в шёлк путём модификации готовой нити или добавления в рацион шёлкопрядов. Похожие опыты проводились с пауками. В прошлом эксперименте шелкопрядам скармливали многостенные нанотрубки диаметром около 30 нм. Сейчас китайские учёные логично предположили, что для пищеварительной системы шелкопрядов и внедрения в структуру фиброина гораздо более приемлемыми окажутся не многостенчатые, а одностенчатые нанотрубки диаметром около 1-2 нм. Забегая вперёд, они не ошиблись.
Кроме одностенчатых нанотрубок, учёные решили скормить шелкопрядам ещё и графен, тоже потенциальный упрочнитель. Чтобы скормить материалы животным, учёные применили простой метод: они распылили взвесь с одностенчатыми нанотрубками и графеном на листья шелковицы, которыми питаются шелкопряды — а потом собрали продукт из кокона.
Опыт завершился успехом. Диета шелкопрядов с добавками одностенчатых нанотрубок и графена привела к получению шёлковой нити с улучшенными свойствами. Нить получена естественным натуральным путём из кокона, как и обычная шёлковая нить.
Учёные изучили спектры комбинационного рассеяния шёлкового волокна и экскрементов шелкопрядов — и подтвердили в обоих случаях внедрение углеродных нанотрубок в шёлковое волокно. Они также проверили, насколько изменились свойства волокна после внедрения углеродных нанотрубок.
На иллюстрациях показана схема эксперимента, фотографии коконов, полученных после кормления шелкопрядов листьями шелковицы с нанесённой взвесью нанотрубок концентрацией по массе 0,2% и 1,0% и взвесью графена с концентрацией 0,2% и 2,0%. Показаны фотографии со сканирующего электронного микроскопа для каждого образца шёлковой нити и диаграмма с характеристиками растяжимости нити
Другие механические характеристики улучшенных шёлковых волокон показаны в таблице: разрывное напряжение, максимальное растяжение до разрыва и модуль упругости.
Как понятно из таблицы, предстоит провести ещё ряд экспериментов, чтобы найти оптимальную концентрацию углеродных нанотрубок и графена в диете шелкопрядов, чтобы у них получались нити большей прочности. Мы видим, что диета с более слабой концентрацией SWNT1-S и GR1-S привела к производству волокна с гораздо лучшими свойствами, чем диета с более высокой концентрацией SWNT2-S и GR2-S.
Неудивительно, что после добавления графена и углеродных нанотрубок шёлковая нить стала проводником электричества. У лучшего образца шёлка с частицами графена электрическая проводимость составила довольно высокие 120 сименс на сантиметр. Такой шёлк можно использовать в электронике. Удобно запитывать носимые гаджеты, вшитые прямо в шёлковую одежду. Собственно, и светящуюся ткань сделать достаточно просто.
На фотографиях с просвечивающего электронного микроскопа хорошо видно, что шёлковые волокна с глеродными нанотрубками (посередине) и графеном (внизу) гораздо лучше структурированы, чем обычный шёлк (вверху).
