Установлено, что под воздействием механической нагрузки нанотрубки вырабатывают электричество. Сейчас учёные всего мира работают над разработкой наноэлектромеханических систем, которые лягут в основу будущих нанороботов.
Электрические и электронные свойства нанотрубок можно менять произвольным образом. Нанотрубки похожи на пчелиные соты, свёрнутые в крошечные шланги. Если шланг скручен как сигарета, то УНТ проводит электрический ток. А если наискосок, то получится полупроводник. Проводимость УНТ намного выше (в 1000 раз), чем у меди, а значит из нанотрубок можно делать и сверхэкономичные провода и сверхминиатюрные микросхемы-чипы. Если упаковать микросхему в оболочку из нанотрубок, то можно разместить миллиарды компонентов этого чипа в крошечный объём без риска даже малейшего перегрева. Электрический ток протекает по УНТ, не выделяя тепла, и достигает гигантской величины в 10 миллионов ампер на квадратный сантиметр. Обычный проводник при таких значениях давно бы испарился.
Как известно, через несколько лет возможности миниатюризации компьютеров на основе обычных полупроводников будут исчерпаны. Многослойная структура современных микросхем состоит из чередующихся между собой транзисторов-полупроводников и токопроводящих проводников. Так вот, скоро размеры этих слоёв станут такими маленькими, что электроны будут просто пролетать их насквозь – туннелировать. И микросхемы перестанут работать.
А если сделать микросхемы из нескольких слоёв УНТ-полупроводников и УНТ-проводников, то возможности по миниатюризации становятся просто безграничными.
Ещё из нанотрубок можно делать прозрачные плоские громкоговорители, а также генераторы и двигатели. Список возможностей можно было бы продолжить, но пора рассказать о том, как эти чудо-трубки изготавливают. Ведь именно в этой сфере лежат уникальные разработки учёных РН-ЦИР.
В таблице 1 сравниваются свойства нанотрубок с другими материалами.
Именно физико-химические свойства углеродных нанотрубок являются первоочередными факторами, определяющими стимулы их практического применения. В таблице 2 представлены основные драйверы и барьеры развития мирового рынка УНТ.
Как сделать чудо-трубку
Основные драйверы рынка, расширяющие области применения УНТ, во многом определяются их свойствами, а барьеры связаны с недостатками реализуемого производственного процесса. Поэтому на сегодняшний день одним из препятствий для широкомасштабного применения и производства углеродных нанотрубок является несовершенство методов их синтеза.
УНТ получают двумя способами: возгонкой графита и пиролизом (термическим разложением при недостатке воздуха) углеводородов (CVD). В обоих случаях процессы требуют применения катализаторов.
Первая группа включает лазерную абляцию (воздействие лазерным импульсом) и электродуговой метод. Всем методам этой группы присущи серьёзные недостатки: большой расход энергии на возгонку и на последующее охлаждение паров, относительно низкий выход продукта, высокие затраты на графит, сложность автоматизации и так далее.
Пиролитические методы значительно более разнообразны. Они не требуют высоких температур, могут проводиться в непрерывном режиме, при атмосферном давлении. Как правило, здесь удаётся лучше контролировать и регулировать диаметр и длину нанотрубок. Многие варианты легко поддаются автоматизации и масштабированию. К основному недостатку данного метода относят его малопригодность для синтеза одностенных УНТ.
Всем без исключения методам присущ такой недостаток, как низкий выход продукта. Несмотря на многочисленные исследования в области оптимизации технологического процесса производства нанотрубок, повысить их объём и снизить себестоимость не удавалось.
В РН-ЦИР разработаны уникальные технологии получения как одностенных, так и многостенных углеродных трубок.
Стабильные изотопы – на службе здоровья
Что такое изотопы
При изучении свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента можно встретить атомы с различной массой ядра. Заряд ядра при этом они имеют одинаковый, то есть это не примеси сторонних веществ, а то же самое вещество. В Периодической системе Менделеева и данный элемент, и атомы вещества с отличающейся массой ядра занимают одну клетку. Таким разновидностям одного и того же вещества было дано название "изотопы" (от греческого isos - одинаковый и topos – место). Итак, изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.
Как известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Ядра некоторых атомов вещества содержат различное количество нейтронов, но одинаковое количество протонов. В самом деле, заряд ядра изотопов одного элемента одинаков, следовательно, количество протонов в ядре одинаково. Ядра различаются по массе, соответственно они содержат разное количество нейтронов.
Изотопы бывают стабильными и нестабильными. На сегодняшний день известно около 270 стабильных изотопов и более 2000 нестабильных. Стабильные изотопы – это разновидности химических элементов, которые могут самостоятельно существовать продолжительное время.
Большая часть нестабильных изотопов была получена искусственным путём. Нестабильные изотопы радиоактивны, их ядра подвержены процессу радиоактивного распада, то есть самопроизвольному превращению в другие ядра, сопровождающемуся испусканием частиц и/или излучений. Практически все радиоактивные искусственные изотопы имеют очень маленькие периоды полураспада, измеряемые секундами и даже долями секунд. Ядро не может содержать произвольное количество нейтронов. Соответственно количество изотопов ограничено. У чётных по количеству протонов элементов количество стабильных изотопов может достигать десяти. Например, олово имеет 10 изотопов, ксенон – 9, ртуть – 7 и так далее.
Те элементы, количество протонов которых нечётно, могут иметь лишь по два стабильных изотопа. У ряда элементов имеется только один стабильный изотоп. Это такие вещества, как золото, алюминий, фосфор, натрий, марганец и другие. Такие вариации по числу стабильных изотопов у разных элементов связаны со сложной зависимостью числа протонов и нейтронов от энергии связи ядра.
Практически все вещества в природе существуют в виде смеси изотопов. Количество изотопов в составе вещества зависит от вида вещества, атомной массы и количества стабильных изотопов данного химического элемента.
Где применяют изотопы
Разнообразные изотопы химических элементов находят широкое применение в научных исследованиях, в различных областях промышленности и сельского хозяйства, в ядерной энергетике, современной биологии и медицине, в исследованиях окружающей среды и других областях. Стабильные изотопы нашли наибольшее применение в химии (для изучения механизма химических реакций, процессов горения, катализа, синтеза химических соединений, в спектрометрии), в биологии, физиологии, биохимии и агрохимии (для изучения процессов обмена веществ в живых организмах, превращения белков, жирных и аминокислот, процессов фотосинтеза в растениях, движения воды от корня по стеблю к листьям и плодам). Они также используются в ядерно-физической аппаратуре для изготовления счётчиков нейтронов, что позволяет увеличить эффективность счёта более чем в 5 раз, в ядерной энергетике как замедлители и поглотители нейтронов. Перечисленное, однако, далеко не исчерпывает все существующие и возможные области использования изотопов. Более того, сфера их использования как эффективных помощников в решении целого ряда научных и прикладных проблем расширяется с каждым годом.
В научных исследованиях (например, в химическом анализе) требуются, как правило, небольшие количества редких изотопов различных элементов, исчисляемые граммами и даже миллиграммами в год. Вместе с тем для ряда изотопов, широко используемых в ядерной энергетике, медицине и других отраслях, потребность в их производстве может составлять многие килограммы и даже тонны.
В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических проблем, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии, определившие расцвет биологических наук во второй половине XX века. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора, серы, железа, йода были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и прочих биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза. С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и других мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решён ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растениях, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений. Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в том числе скорость включения железа в гемоглобин, фосфора в нервные и мышечные ткани, кальция в кости). Важная группа работ охватывает исследования механизмов химических реакций в организме. Так, во многих случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за «судьбой» отдельных атомов и химических групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении современных схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах.
