Графен, графдин, фуллерены и нанотрубки

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#166   morozov » Вт дек 08, 2015 12:45

Термическое восстановление графена из оксида
Практическое использование графена возможно при наличии хорошо разработанной, относительно простой и сравнительно недорогой технологии получения графена в макроскопических количествах. В настоящее время одним из основных подходов к решению этой проблемы является получение графена из оксида, который, в свою очередь, синтезируется из кристаллического графита в результате окисления. Полученные хлопья оксида графена восстанавливают либо химическим путем с использованием таких восстановителей, как водород либо перекись водорода, либо термическим путем, в результате нагрева до температуры в несколько сот градусов. Последний подход представляется наиболее подходящим в силу своей простоты и отсутствия необходимости использования дорогих и небезопасных химических реагентов. Однако физико-химические характеристики образцов графена, полученных в результате восстановления оксида графена, оказываются весьма чувствительными к условиям процедуры восстановления – скорости нагрева, температуре и длительности процесса.
Детальное исследование зависимости параметров восстановленного термическим способом графена от режима восстановления было выполнено группой исследователей из Korea Inst. of Science and Technology (KIST) и Seoul National Univ. (Южная Корея) [1]. Процедура получения образцов восстановленного оксида графена (ВОГ) проиллюстрирована на рис. 1.


Изображение

Рис. 1. Схематическая иллюстрация процедуры
получения ВОГ.

Порошок оксида графена был синтезирован из графитовых хлопьев в результате окисления стандартным методом Хаммерса. Термическую обработку образцов проводили в течение часа в атмосфере азота в трубчатой печи при температурах 250, 300, 350, 400, 500, 700, 800 и 1000°C (скорость нагрева – 5 °C/мин., поток азота – 50 мл/мин). По окончании процедуры восстановления порошок восстановленного ОГ (ВОГ) заливали N,N-диметилформамидом (DMF), после чего методом вакуумной фильтрации получали пленки. С целью удаления сорбированных молекул воды и кислорода пленки в течение часа отжигали в потоке азота при температуре 150 °C. Название образца соответствует температуре, при которой он был восстановлен, например ВОГ-700 или
ВОГ-1000.

Для исследования электрических характеристик пленки ВОГ толщиной около 50 мкм разрезали на прямоугольные полоски размером 2×12 мм. При этом образцы полосок, восстановленные при различных температурах, соединяли друг с другом электрически, образуя термоэлектрическую пару. Так, были соединены образцы ВОГ-700 и ВОГ-1000. Полученные таким образом приборы покрывали полиимидной пленкой для защиты от внешнего воздействия. В силу различия электронных характеристик образцов, восстановленных при различных температурах, при наличии разности температур между образцами возникала разность потенциалов, что служит проявлением термоэлектрического эффекта. Результаты измерений коэффициента Зеебека, характеризующего термоэлектрический эффект и представляющего собой отношение разности потенциалов к разности температур между двумя концами образца, дают информацию о типе проводимости в образце. Так, при дырочной проводимости коэффициент Зеебека имеет положительный знак, а при электронной проводимости знак этого коэффициента отрицательный. На рис. 2 представлена зависимость коэффициента Зеебека от температуры восстановления образца.


Изображение

Рис. 2. Зависимость коэффициента Зеебека образцов ВОГ
от температуры восстановления.

Как видно, эта зависимость имеет немонотонный характер. По мере повышения температуры отжига характер проводимости изменяется, так что в области температур между 450 и 800°C реализуется дырочная проводимость, в то время как при более высоких температурах преобладает электронный механизм проводимости.
Наряду с характером проводимости, при изменении температуры отжига изменяется также работа выхода электрона. Величины этого параметра, измеренные методом УФ спектроскопии, оказались равными 4.13, 43 и 423 эВ при температурах отжига 350, 700, 1000°C, соответственно. С целью определения концентрации носителей на исследуемых образцах измерялся эффект Холла в магнитном поле 5 Тл при токе 100 нА. В таблице приведены результаты исследования электрических характеристик образцов, восстановленных при различных температурах. Проводимость образцов измеряли непосредственно, а также вычисляли на основании данных о концентрации и подвижности носителей. Как видно, температура отжига является важным параметром, определяющим проводящие свойства ВОГ. В первую очередь она влияет на подвижность носителей, что отражается на проводимости образца.

.....
А.Елецкий
1. N.D.K. Tu et al., Chem. Mater. 27, 7362 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#167   morozov » Вт янв 05, 2016 13:45

Графен борется с биокоррозией

Проблемы коррозии всем хорошо известны. Ежегодные прямые и косвенные потери от нее в промышленно развитых странах чрезвычайно велики. По оценкам в США в 2015 г. они превысят 1 триллион долларов [1]. Однако наверно не все знают, что около 50% ущерба связано с биокоррозией, вызванной микроорганизмами. Первая информация о роли микроорганизмов в коррозии появилась еще в конце XIX в., но общая теория до сих пор отсутствует. Считается, что в процессе жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов образуются кислоты, щелочи, пероксиды, H2S и другие продукты обмена, которые повышают коррозионную активность среды. Биокоррозия разрушает нефтепромысловое оборудование, трубопроводы, подземные металлоконструкции, системы очистки воды, наносит заметный ущерб флоту, авиации, жилищно-коммунальному хозяйству, средствам связи. Такие методы борьбы с биокоррозией, как обработка среды бактерицидными препаратами или применение покрытий и красок, содержащих биоциды (вещества, убивающие живые организмы), не всегда возможны, т.к. опасны для человека и окружающей среды. Достаточно эффективно использование защитных полимерных или металлических покрытий. Заметный вклад может внести и внедрение достижений нанотехнологий. Например, для борьбы с биообрастанием (образованием пленки из множества микроорганизмов) в морской воде было предложено использовать наночастицы V2O5, обладающие антибактериальной активностью, но не токсичные для морской флоры и фауны (см. ПерсТ [2]). Исследователи из США и Китая в своей недавней работе [3] продемонстрировали преимущества применения графена вместо распространенных полимерных антикоррозионных покрытий. В экспериментах использовали Ni (никелевую пену) с покрытиями из полипараксилилена (парилена) (PA/Ni), полиуретана (PU/Ni) и графена (Gr/Ni). Средняя толщина PA-покрытий – 40-50 нм, PU-покрытий – 20-80 мкм, а графена – 1-2 нм. Пленки графена, состоящие из нескольких слоев, были выращены методом CVD (рис. 1d).

Изображение
Рис. 1. SEM (a,b) и TEM (c,d) изображения покрытия из нескольких слоев графена на Ni пене.

Коррозионные испытания проводили в течение 30 дней в электрохимических ячейках в условиях, благоприятных для биомикробной коррозии. Образцы Ni с покрытиями служили анодом. Результаты исследований показали, что на всех образцах возникала биопленка, при этом на образцах PA/Ni и PU/Ni появились продукты коррозии зеленого цвета (вероятно, соединения двухвалентного никеля); графеновое покрытие не изменилось (рис. 2).

Изображение
Рис. 2. SEM изображения биопленок на образцах Gr/Ni (a), PA/Ni (c), PU/Ni (e)
и соответствующие фотографии образцов после 30 дней коррозионных испытаний.

Кроме того, на РА-покрытии видны микронные разрывы, а покрытие PU не является конформным и имеет плохую адгезию к Ni (рис. 3).

Изображение
Рис. 3. a - Дефекты PA-покрытия; b - плохая адгезия и отсутствие конформности PU-покрытия.
Детальный электрохимический анализ, проведенный авторами [3], показал, что стойкость графенового покрытия к биокоррозии в 10 раз превышает стойкость полиуретанового покрытия и в 100 раз – стойкость покрытия из парилена (несмотря на то, что толщина графенового покрытия в 25 раз меньше толщины РА-покрытия и в 4000 раз меньше толщины PU-покрытия).
Изучение растворения никеля в электрохимических ячейках показало, что скорости коррозии Ni с покрытиями PA и PU заметно возрастали в циклах испытаний “1 неделя, 2 недели, 3 недели”. Так, в течение первой недели для PA/Ni и PU/Ni они были, соответственно, 2.22 и 0.915 мг/л/день, а через три недели – уже 6.708 и 5.229 мг/л/день! Для графена скорость коррозии была одной и той же (1.5-3 мг/л/день). Концентрация никеля, перешедшего в раствор из образцов с покрытиями PA и PU, также возрастала (рис. 4). Коррозионная стойкость графенового покрытия, наоборот, только улучшилась. Авторы объясняют результаты, во-первых, минимальным количеством дефектов у графенового покрытия; во-вторых, ограниченной диффузией продуктов коррозии Ni через несколько слоев графена; в-третьих, залечиванием возможных дефектов в результате адгезии полисахаридов и нерастворимой биомассы к гидрофобной поверхности графена.

Изображение
Рис. 4. Концентрация никеля, перешедшего в раствор, для трех коррозионных ячеек.


Исследователи сделали еще два важных для практического применения вывода. Во-первых, необходимо использовать покрытие из нескольких слоев графена, т.к. в однослойном могут быть сквозные дефекты. Во-вторых, графеновое покрытие должно быть получено непосредственно на защищаемой поверхности, т.к. при переносе пленок на подложку возникает большое количество дефектов.


О. Алексеева
1. http://www.g2mtlabs.com/corrosion/cost-of-corrosion/ (2014).
2. ПерсТ 19, вып.18, с.1 (2012).
3. A.Krishnamurthy et al., Sci. Reports 5, 13858 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#168   morozov » Пт янв 08, 2016 13:59

Устойчивость углеродного гиперкуба

Совсем недавно в научной периодике появилось описание так называемого углеводородного молекулярного аналога четырехмерного гиперкуба, названного впоследствии гиперкубаном (мы, разумеется, также не обошли вниманием это событие [1]).
Молекула действительно уникальна по своей структуре (см. рис. 1) и, к тому же, согласно предсказательным расчетам в рамках теории функционала плотности, является термодинамически устойчивой. Тем не менее, очевидно, что на современном этапе задача его синтеза чрезвычайно сложна, и скептицизм относительно непосредственного получения изолированных гиперкубанов небезоснователен. Более того, гиперкубан может оказаться нестабильным даже при криогенных температурах, не говоря уже о комнатных, что сделает затруднительным (или вообще невозможным) его получение, не говоря уже о практическом использовании. Безусловно, мы сможем подержать гиперкубан в руках еще очень нескоро, однако российскому коллективу исследователей уже сейчас удалось продемонстрировать его высокую термическую устойчивость, сравнимую с таковой для классического “трехмерного” кубана C8H8 [2]. С помощью прямого молекулярно-динамического моделирования с потенциалом сильной связи авторы показали, что кинетическая устойчивость гиперкубана ничуть не уступает его “низкоразмерному родственнику”. Так, согласно проведенным расчетам, его энергия активации составляет 1.8 эВ, что согласуется с соответствующей экспериментальной величиной для кубана 1.9 эВ. Основываясь на полученных данных, авторы оценивают время жизни гиперкубана при комнатной температуре ~1014 с. Дополнительные исследования в рамках теории функционала плотности эти оценки подтверждают. Столь значительное время жизни дает обнадеживающий прогноз относительно получения гиперкубана как минимум без использования экстремальных температурных режимов. Кроме того, стоит отметить, что авторам удалось однозначно идентифицировать канал распада углеродного гиперкуба. Так, в отличие от C8H8 он здесь всего один, а среди продуктов реакции разложения присутствуют молекулы ацетилена и так называемый углеводородный “пропеллер” C34H18 (см. рис. 2), который при ближайшем рассмотрении состоит из трех соединенных фрагментов графена, пассивированных атомами водорода.

Изображение

Рис. 1. Молекула углеводородного гиперкубана C40H24

Изображение

Рис. 2. Один из основных продуктов распада
гиперкубана: “пропеллер” C34H18

Поэтому одним из возможных путей синтеза гиперкубана вполне может стать использование в качестве прекурсоров системы графен плюс ацетилен при ультравысоких давлениях в присутствии определенных катализаторов. К слову, авторы разместили компьютерную анимацию на страничке журнала с публикацией [2] в качестве дополнительных материалов, что позволяет всем заинтересованным читателям наблюдать за процессом распада собственными глазами.

1. ПерсТ 21, вып. 22, с. 5 (2014).
2. M.M.Maslov, K.P.Katin, Chem. Phys. Lett., published online 17.12.2015, http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2015.12.022
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#169   morozov » Вт фев 02, 2016 10:02

Ультразвук порождает углеродные наноаллотропы

В работе [1] (Мексика, США, Бельгия) авторы сообщают об очередной эффективной методике синтеза фуллеритов, углеродных нанолуковиц (структур типа “фуллерен-в-фуллерене”) и наноалмазов, где в качестве прекурсоров используются фуллерены C60 и многослойный графен в диметилформамиде (ДМФА), при этом особая роль отводится ультразвуку. Обработка ультразвуком молекул C60 в ДМФА позволяет получить на выходе значительное количество фуллеритов: молекулярных кристаллов, в которых отдельные фуллерены образуют гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую решетку с периодом 1.42 нм (см. рис.).
Изображение

Синтез углеродных наноаллотропов с помощью ультразвука.
а - Формирование фуллеритов (F-1) посредством кристаллизации фуллеренов во время ультразвуковой обработки.
б - Ультразвуковая обработка фуллеренов с добавлением многослойного графена (FLG) приводит к образованию фуллеритов (FG-1),
нанолуковиц (1) и наноалмазов (2).
При этом итоговые образцы тождественны друг другу и обладают узким распределением по диаметрам (22 ± 3) нм. Добавление многослойного графена во время процесса ультразвуковой обработки приводит к образованию “луковичных” структур, в основном, на краях графеновых листов. Увеличение же времени воздействия ультразвуком стимулирует образование наноалмазов, осажденных на поверхности фуллеритов. Полученные углеродные наноаллотропы авторы идентифицировали с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), а более детальный анализ проводили, используя целый ряд экспериментальных техник: термогравиметрический анализ (TGA), УФ-видимая-ближняя ИК спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и рамановская спектроскопия. Из экспериментальных данных следует, что экстремальные условия, порожденные акустической кавитацией, провоцируют образование неидеальных нанолуковиц посредством самосборки небольших фрагментов графена, вызванной ароматическим взаимодействием этих фрагментов с поверхностью фуллеренов. В дальнейшем эти частицы реконструируются в более устойчивые наноалмазы. Авторы отмечают, что именно обработка ультразвуком создает уникальные условия для трансформации многослойного графена и фуллеренов в углеродные наноаллотропы. Однако некоторые вопросы все же остаются пока неразрешенными, например, каким образом получить только один тип аллотропов, контролируя при этом его характеристики. Возможно, более глубокое понимание механизмов зародышеобразования и формирования углеродных наноаллотропов с помощью ультразвука позволит в дальнейшем не только оптимизировать методики синтеза таких систем, но и расширить их на более широкий класс соединений.

М.Маслов

1. J.I.Tapia et al., Carbon 99, 541 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#170   morozov » Вт мар 01, 2016 21:10

Синтез углеродных струн

Карбин является одной из аллотропных модификаций углерода и представляет собой линейные атомные цепочки. Несмотря на то, что он известен уже довольно давно (это вещество впервые было получено советскими химиками еще в 60-е годы прошлого столетия), исследуется он не так интенсивно, как другие “модные” сегодня углеродные низкоразмерные структуры, например, фуллерены, графен или углеродные нанотрубки. Тем не менее, многие исследователи сходятся во мнении, что карбин и его производные обладают значительным потенциалом для приложений современной микро- и наноэлектроники.

Ученые из Китая и Швейцарии обратили пристальное внимание на, так называемый металлизированный карбин, в котором углеродные димеры чередуются с атомами меди [1]. Им удалось впервые синтезировать его с помощью дегидрогенизационного связывания молекул ацетилена и атомов меди на поверхности Cu(110) в сверхвысоком вакууме (см. рис. 1).

Изображение

Рис. 1. Процесс синтеза “снизу-вверх” металлизированного карбина посредством дегидрогенизационного сцепления ацетилена и адатомов меди на поверхности Cu(110) в сверхвысоком вакууме. Серым цветом обозначены атомы углерода, белым – атомы водорода, коричневым – атомы меди подложки, красным – адатомы меди.

Дальнейшее детальное изучение полученных образцов проводили с помощью целого ряда экспериментальных техник (сканирующая туннельная микроскопия высокого разрешения, бесконтактная атомно-силовая микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), а также квантово-химических расчетов с помощью теории функционала плотности (рис. 2).

Изображение

Рис. 2. Изображение металлизированного карбина на поверхности Cu(110). Соответствующие длины связей рассчитаны с помощью теории функционала плотности.

Авторы отмечают, что длина синтезированных цепочек достаточно внушительна и достигает ~120 нм. При этом цепочки модифицированного карбина очень напоминают металлические гитарные струны, в обмотке которых, в основном, также используют сплавы на основе меди. Медная подложка, кстати, по мнению авторов, имеет ключевое значение. Попытки вырастить металлизированный карбин на поверхности золота или серебра успехом, к сожалению, не увенчались. Авторы рассчитывают, что их работа мотивирует других исследователей продолжить экспериментальные разработки в направлении синтеза и технологического применения карбина и его производных, а сам карбин займет достойное место среди низкоразмерных углеродных наносистем.

М.Маслов

1. Q. Sun et al., J. Am. Chem. Soc. 138, 1106 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#171   morozov » Ср мар 02, 2016 14:46

На заседании Ученого совета ИТФ в пятницу 4 марта будет заслушан доклад:

_В.Ю. Качоровский_ (ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН), И.В. Горный, А.Д. Мирлин

Аномальные упругие свойства двумерных неупорядоченных кристаллов:
применение к графену

Графен представляет собой знаменитый пример двумерной кристаллической
мембраны. Тепловые флуктуации мембраны стремятся разрушить дальний
порядок в системе. Конкурирующим эффектом, благодаря которому мембрана
остается термодинамически стабильной, является сильное ангармоническое
взаимодействие между изгибными и продольными колебательными модами.
Ангармонические эффекты демонстрируют критическое поведение на масштабах
больших, чем длина Гинзбурга. В частности, изгибная жесткость чистой
изолированной мембраны возрастает степенным образом по мере увеличения
размера системы: \kappa \propto L^{\eta}. В работе изучается
влияние беспорядка на критическое поведение мембраны. Показано, что
случайные флуктуации кривизны мембраны, вызванные статическим
беспорядком, радикально меняют характер скейлинга изгибной жесткости.
Выведены уравнения ренормгруппы (РГ), описывающие изменение \kappa
и эффективной силы беспорядка b по мере увеличения размера системы.
Показано, что обе величины немонотонно зависят от L. Анализ уравнений
РГ позволяет построить критическую кривую b(\kappa), разделяющую
плоскую и «скомканную» (crumpled) фазы мембраны. Геометрия мембраны в
окрестности критической кривой характеризуется (в определенном интервале
масштабов) фрактальной размерностью. Также подробно изучено поведение
$\varkappa$ и $b$ в плоской фазе. Показано, что глубоко в плоской фазе
беспорядок убывает степенным образом на масштабах больших, чем длина
Гинзбурга, которая, таким образом, задает характерный масштаб рипплов
(ripples) – статических изгибных деформаций, экспериментально
наблюдаемых в изолированном графене. В пределе $L \to \infty $ рипплы
характеризуются аномальной экспонентой $2\eta$ по контрасту с
динамическими флуктуациями, которые спадают степенным образом с
показателем $\eta$. Если начальный беспорядок достаточно велик, то
существует промежуточный интервал масштабов, где рипплы убывают
существенно медленнее, с показателем $\eta/4.$. Результаты расчетов
сравниваются с имеющимися экспериментальными измерения параметров
рипплов в графене. В работе также изучается поведение мембраны под
действием внешнего натяжения. Показано, что линейный закон Гука
нарушается, а именно растяжение листа графена оказывается нелинейной
функцией приложенного малого натяжения: $\Delta L \propto
\sigma^{\eta/(2-\eta)}$ и $\Delta L \propto \sigma^{\eta/(8-\eta)},$
соответственно, для чистой и разупорядоченной мембраны.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#172   morozov » Пн мар 21, 2016 1:09

Фаграфен: плоский или нет?

Перст уже сообщал [1] своим читателям о фаграфене (phagraphene) – новом аллотропе графена, недавно предсказанном теоретически [2], но пока не синтезированном. В отличие от графена, наряду с шестиугольниками из связей С–С, в фаграфене имеются также пяти- и семиугольники. Все вместе они образуют квазидвумерный кристалл из sp2-гибридизованных атомов углерода (рис. 1а).

Согласно [2], фаграфен является абсолютно плоским (точнее, имеет толщину “в один атом”), а в его электронной структуре, подобно графену, имеются так называемые дираковские конусы с линейным законом дисперсии. Квазидвумерность фаграфена с самого начала казалась довольно сомнительной, поскольку на примере дефекта Стоуна-Уэльса в графене известно, что соседство пяти-, шести- и семиугольных колец приводит к локальным деформациям, делающим плоскую атомную конфигурацию энергетически невыгодной [3]. И действительно, недавно было показано [4], что минимальную энергию имеет не плоская, а волнообразная конфигурация фаграфена (рис. 1b).

Изображение

Рис. 1. Фрагмент фаграфена. Вид сверху (a) и сбоку (b).

Справедливости ради отметим, что разность энергий этих конфигураций очень мала, 0.001-0.01 эВ/атом, и очень чувствительна к вычислительной методике (в [4] приведены данные теории функционала плотности и неортогональной модели сильной связи). Как бы то ни было, наличие двух почти вырожденных по энергии атомных конфигураций должно, так или иначе, сказываться на свойствах фаграфена при конечной температуре. Между тем, сделанный в [2] вывод о присутствии дираковских конусов в электронных спектрах фаграфена требует ревизии с учетом данных [4].

Л.Опенов

1. ПерсТ 22, вып. 11/12, с. 2 (2015).
2. Nano Lett. 15, 6182 (2015).
3. Phys. Rev. B 80, 033407 (2009).
4. Письма в ЖЭТФ 103, 204 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

FENIMUS
Сообщения: 959
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#173   FENIMUS » Чт мар 31, 2016 15:33

Пишут, что открыли еще наносоты.. способные накапливать водород.

http://itc.ua/news/uglerodnyie-sotyi-ha ... ransporta/
Изображение

Харьковские ученые Нина Крайнюкова из Физико-технического института низких температур НАН Украины и Евгений Зубарев с Физико-технического факультета ХПИ открыли и протестировали новую модификацию углеродного волокна. О работе ученых рассказывает источник, ссылаясь на публикацию в одном из самых престижных в мире журналов по физике Physical Review Letters. Разработка носит название «углеродные соты» и, как предполагается, может сотворить настоящую сенсацию в мире водородных автомобилей и электроники будущего.

В данном случае речь идет о еще одной форме углерода, такой как графит, алмаз, графен и т.д.

В интервью ресурсу ЛІГА.net Нина Крайнюкова сообщила, что пока слишком рано говорить о быстрой коммерциализации технологии, и дальнейшая работа над новой формой углерода будет проходить в кооперации с зарубежными коллегами.

«Их техническая база для исследований намного лучше нашей», – отметила Нина Крайнюкова.

Благодаря своей трехмерной структуре углеродные соты способны хранить большое количество газа и жидкости. Помимо многого другого, они могут использоваться для изготовления топливных баков для водорода.

Считается, что основными препятствиями на пути к массовому использованию водорода в качестве возобновляемого источника топлива являются трудности, связанные с хранением и транспортировкой этого взрывоопасного газа. Разработка украинских ученых может решить эти проблемы.

Применение украинской технологии в сфере водородного транспорта может заинтересовать зарубежных инвесторов, считает директор департамента развития дорожного рынка и автоперевозок Мининфраструктуры Роман Хмиль.

«Электродвигатели правительство Сингапура недавно признало экологически вредными, плюс они неэкономны. Эквивалент потребления – 10 л на 100 км, что хуже гибридов. А вот водородные двигатели очень перспективны», – сказал он.

Другой областью применения разработки украинских ученых являются смартфоны и прочая электроника.

«Если заполнить “соты” разными металлами и неметаллами, спектр электрических и магнитных свойств будет очень широким», – рассказывает Нина Крайнюкова.

Недавно американская компания American Graphite Technologies Inc. продлила контракт с командой ученых Харьковского физико-технического института еще минимум на полгода. Последние несколько лет ученые работают над технологией 3D-печати микросхем с использованием графена. Результаты исследований пока держатся в тайне, но в случае успеха технология может сотворить революцию в электронике. Жаль только, что все интеллектуальные права на инновацию в таком случае останутся у американской компании.

Интересным является тот факт, что живущие в одном городе современные ученые Нина Крайнюкова и Дмитрий Виноградов, работающие над углеродными технологиями будущего, никогда не встречались в реальной жизни. В то же время другие украинские физики, судя по оживленному обсуждению публикации в сети Facebook, узнали об открытии харьковчан из американского журнала. Это говорит о том, что в Украине, по сути, нет научного сообщества, в котором бы присутствовали разные представители государства. Правительство ни в какой форме не развивает научный потенциал страны, не стимулирует формирование научных объединений, не говоря уже о финансировании, и это очень прискорбно.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#174   morozov » Чт апр 07, 2016 0:55

Фуллерены выхлопных труб

Все чаще на страницах научной периодики появляются публикации, посвященные нанотехнологической безопасности окружающей среды, а именно, ограждению последней от возможных последствий негативного влияния, так называемой нанотехнологической революции, которая, по мнению некоторых исследователей, уже давно идет полным ходом. Не желая отставать от сложившегося тренда, авторы работы [1] решили оценить потенциальные риски, связанные с выбросом в атмосферу фуллеренов C60 вместе с многочисленными продуктами горения широко распространенных топлив. Под распространенными в статье понимаются всего лишь пять знакомых каждому энергоносителей: дизтопливо, уголь, бензин, древесина и пропан (см. рис.).

Изображение

Источники выброса фуллеренов C60 в окружающую
среду

Источниками выхлопных газов стали, соответственно, дизельный генератор, угольная электростанция, газонокосилка с бензиновым двигателем, костер, сложенный из древесины лиственных пород, и газовый гриль. Забегая вперед, скажем, что фуллерены были обнаружены в продуктах горения всех пяти. Однако авторы поставили перед собой задачу не просто отыскать фуллерены во всевозможных вредных отходах, но и представить общую картину распространенности искусственно выбрасываемых в окружающую среду C60. Итак, наиболее высокая их концентрация была обнаружена в продуктах горения дизельного топлива и угля. В целом же содержание C60 в выхлопе сильно зависит от исходного образца. Диапазон, указанный авторами, оказался достаточно широким: от 10-2 до 103 нг/м3. С помощью просвечивающей электронной микроскопии авторы попытались проследить закономерности между геометрическими характеристиками продуктов горения – графитовых чешуек и концентрацией C60. Гипотеза исследователей состояла в том, что по расстоянию между чешуйками и их кривизне можно однозначно определить выход фуллеренов. Однако это предположение не подтвердилось. В то время, как содержание C60 изменяется на пять порядков величины в зависимости от исходных веществ, геометрические характеристики продуктов горения значительных изменений не претерпевают, оставаясь практически одинаковыми для топлив с низким (древесина, пропан) и высоким (уголь, дизтопливо) выходом фуллеренов. В результате авторы оценивают мировые выбросы C60 в атмосферу от сжигания угля и дизтоплива в зависимости от условий горения от 1.6 до 6.3 тонн в год, что сравнимо с ежегодным промышленным синтезом фуллеренов. То есть, если пофантазировать, то грамотный отвод выхлопных газов с каждой трубы позволит не просто оградить окружающую среду от “вредных” бакиболов, но и вдвое увеличить их производство.

М. Маслов

1. A.J.Tiwari et al., Sci. Total Environ. 547, 254 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#175   morozov » Пт апр 29, 2016 4:10

Графеновые наноленты с зигзагообразными краями

По своим электронным характеристикам графеновые наноструктуры сильно отличаются от собственно графена (квазидвумерного монослоя атомов углерода). Например, в плотности электронных состояний углеродных нанотрубок (свернутых в цилиндры фрагментов графена) и графеновых нанолент с кресельными краями (armchair graphene nanoribbons, AGNRs) есть запрещенная зона, отсутствующая в графене. Предсказано, что в графеновых нанолентах с зигзагообразными краями (ZGNRs) имеются спин-поляризованные краевые состояния, которые можно использовать в спинтронике. Однако непосредственно наблюдать такие состояния долго не удавалось из-за сложностей с изготовлением качественных ZGNRs.

Изображение
Графеновые наноленты с кресельными (вверху) и зигзагообразными (внизу) краями.

В работе [1] (Швейцария, Германия) разработана новая методика, основанная на подходе “снизу вверх” и позволяющая получать ZGNRs с атомарно резкими границами. Измерения дифференциальных ВАХ 6-ZGNRs (по ширине наноленты укладываются шесть зигзагообразных углеродных цепочек) подтвердили наличие в них локализованных краевых состояний, хотя взаимодействие ZGNRs с подложкой Au(111) сильно осложняло задачу. С локальными магнитными моментами этих состояний еще предстоит разобраться.

1. P.Ruffieux et al., Nature 531, 489 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#176   morozov » Вс май 01, 2016 1:19

Графен-фуллереновый бутерброд для ловли водорода

На страницах научной периодики время от времени появляются новые перспективные материалы для водородной энергетики будущего, в частности, для эффективных водородных аккумуляторов. В одной из недавних работ [1] авторы предложили действительно экзотический нанопористый композит на основе графена и различных фуллеренов. Этот материал представляет собой многослойный графен, в котором пространство между листами случайным образом заполнено достаточно крупными фуллеренами: C180, C320 и C540 (см. рис.). При этом графен и фуллерены ковалентно связаны между собой и обладают пористой структурой. Авторы назвали получившееся вещество многослойным графен-фуллереновым композитом (SGFC). Однако основной целью исследователей было не просто предложить революционный материал, но и изучить его возможности по запасанию водорода.
Изображение
Атомистические модели объектов исследования:
SGFC180 (слева), SGFC320 (в центре), SGFC540 (справа).

Так, анализ адсорбционных свойств композита они провели с помощью классического молекулярно-динамического моделирования и методов Монте-Карло. Наиболее эффективным образцом из трех выбранных оказался SGFC320 с массовой долей запасаемого H2 3.83 % при температуре 77 K и давлении 1 бар.

Однако авторы не остановись на чисто углеродных системах и в надежде на увеличение их производительности дополнительно рассмотрели SGFC с внедренными атомами лития. Гипотеза оказалась верной. Результаты моделирования продемонстрировали, что допированные литием слоистые структуры с отношением допирования Li:C = 1:8 повышают адсорбцию водорода на 32 % до 5.06 массовых процента при тех же температуре и давлении. Таким образом,
Li-SGFC320 обладает максимальной емкостью из рассматриваемых соединений для хранения H2. При этом она значительно превышает емкость других известных соединений, таких как графен-оксид и колонный графен. Таким образом, предлагаемые в статье SGFC обладают высоким соотношением площади поверхности к массе и настраиваемой пористой морфологией, что, по мнению авторов, делает их прекрасными кандидатами для будущих ультралегковесных устройств водородной энергетики.

М. Маслов

1. Z.Ozturk et al., Int. J. Hydrogen Energy 41, 6403 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#177   morozov » Ср май 04, 2016 15:39

Достойная замена бакиболу

Все чаще исследователи обращаются к различным молекулярным аналогам углеродных систем с целью получения новых функциональных характеристик. Например, хорошо известно, что нитриды бора обладают феноменальным сходством с соответствующими углеродными наноструктурами, начиная от квазиодномерных (нанотрубки) и квазидвумерных (нанослои, “графен”) и заканчивая целыми кристаллическими фрагментами типа алмаза. Встречаются и нитрид-борные фуллерены. Так, в теоретической работе [1] авторы, взяв за основу самый популярный фуллерен – бакибол C60, построили его BN-аналог посредством замещения атомов углерода на атомы бора и азота. К слову, такую подстановку можно сделать различными способами, и авторы, конечно, предусмотрели несколько возможностей построения, выбрав для последующих исследований из всего семейства термодинамически наиболее устойчивый изомер, содержащий по шесть N–N и B–B связей (см. рис.).

Изображение

Нитрид-борный “фуллерен” B30N30

Вопрос о термодинамической устойчивости решался посредством определения полной энергии молекулы и вычисления частотного спектра. Все расчеты исследователи выполняли в рамках теории функционала плотности с помощью программного пакета VASP. Дальнейший анализ электронных характеристик B30N30 показал, что они значительно отличаются от таковых для углеродных систем. Это, по мнению авторов, сильно повлияет на химические свойства нитрид-борных фуллеренов. Так, благодаря анизотропному распределению зарядовой плотности, они должны обладать повышенной химической активностью, что позволит использовать их в катализе, а также в качестве молекулярных сенсоров и переключателей.

Авторы нацелены на практическое применение уже сейчас и предлагают пару простых реакций экспериментального получения B30N30, где в качестве прекурсоров используются боразол (B3N3H6) и его химический аналог B5N5H8. Однако, несмотря на высказанный оптимизм, поверить в столь легкий синтез затруднительно, поскольку даже для традиционных фуллеренов у экспертов пока не сложилось единого мнения насчет механизмов их формирования. С другой стороны, техника эксперимента не стоит на месте, будем следить за новостями.

М. Маслов

1. D.Yin et al., Carbon 102, 273 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#178   morozov » Чт май 19, 2016 1:37

Магнетизм гидрированного графена

Теория предсказывает, что адсорбированные на графене атомы водорода индуцируют локальные магнитные моменты. В работе [1] (Испания, Франция, Египет) это подтверждено экспериментально. Используя СТМ, авторы [1] установили, что размеры области модуляции спиновой текстуры такими моментами составляют несколько нанометров. В результате даже сравнительно далеко отстоящие друг от друга моменты взаимодействуют между собой – либо ферромагнитно, либо антиферромагнитно (см. рис.) – в соответствии с расчетами в рамках теории функционала плотности. Ждет проверки и еще одно предсказание – ферромагнетизм графена выше комнатной температуры.
Изображение
Магнитные моменты, формирующиеся при адсорбции на графен атомарного водорода, сонаправлены (синий цвет),
если находятся на одной подрешетке и противоположно направлены (оранжевый цвет) – если на разных.

По материалам заметки
“Painting magnetism on a canvas of graphene”,
S.M.Hollen and J.A.Gupta, Science 352, 415 (2016).

1. H.González-Herrero et al., Science 352, 437 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#179   morozov » Ср июн 01, 2016 10:25

Фуллереновая сварка графена

Интересную методику заращивания разрезов графенового листа предложили авторы работы из Northwest A&F Univ. (Китай) и Australian National Univ. (Австралия) [1]. Основная идея этого способа состоит в использовании фуллерена достаточно большого диаметра (C240 или C540), движущегося непосредственно по разрезу и стягивающего края графена (см. рис. 1). Как только расстояние между двумя сторонами графена из-за ван-дер-ваальсового притяжения становится достаточно малым, “висящие” углеродные связи восстанавливаются, образуя прочную ковалентную сцепку. Сами авторы назвали предложенный метод фуллереновой сваркой. Для демонстрации всех тонкостей процесса они использовали молекулярную динамику с эмпирическим межатомным потенциалом AIREBO. Оказалось, что помимо размеров фуллерена существенное влияние на формирование межуглеродных связей оказывает скорость движущегося бакибола. В то время как медленный фуллерен (скорость меньше 0.02 нм/пс) создает значительные краевые деформации, и две стороны графена могут попросту перекрыться, быстрый фуллерен (скорость выше 0.1 нм/пс) слабо взаимодействует со свободными краями, несущественно сокращая расстояние между ними, что также не приводит к идеальному “сварному шву”. Разумеется, авторы оценили оптимальные скорости для различных разрезов. Так, для фуллерена C240 при заращивании разреза шириной 5L (L = 0.12305 нм) скорость лежит в диапазоне 0.04 ¸ 0.08 нм/пс. К слову, максимальная ширина разреза, который исследователям удалось зарастить с помощью фуллерена C540 при скорости 0.05 нм/пс, составила 16L.

Изображение

Рис. 1. Модель для молекулярно-динамических расчетов, содержащая круговой фрагмент графена с прямоугольным разрезом по радиусу вдоль
зигзаг-направления и фуллерен (C240 или C540)

Изображение
Рис. 2. Фуллерен C540 и фрагмент графена с секторальным разрезом


Авторы обращают внимание на то, что разрез может быть сварен только с помощью фуллерена с диаметром большим, чем его ширина. При этом если он имеет вид не полоски (см. рис. 1), а сектора (см. рис. 2), то с помощью фуллереновой сварки можно получить идеальный конус. По мнению авторов, это обстоятельство может оказаться полезным в дальнейшем для формирования соответствующих компонентов различных наноустройств.

М. Маслов

1. K.Cai et al., Appl. Surf. Sci. 377, 213 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30000
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#180   morozov » Вт июн 07, 2016 2:36

Большие монокристаллы двухслойного графена

Двухслойный графен (bilayer graphene, BLG) с АВ упаковкой Бернала представляет собой полупроводник, у которого ширину запрещенной зоны Eg можно регулировать поперечным электрическим полем. Для применения BLG в электронике и фотонике требуются большие качественные монокристаллы, которые долгое время получить не удавалось, В работе [1] (США, Корея, Китай) монокристаллы BLG миллиметровых размеров выращены путем химического осаждения из паров СН4 на медную фольгу с примесями кислорода. Сначала на внешней стороне фольги образуется первый монослой графена, а затем, после полной диссоциации молекул СН4, в результате диффузии атомов углерода с обратной стороны фольги, под первым слоем формируется второй (рис. 1).
ИзображениеИзображение
Рис. 1. Иллюстрация процесса роста двухслойного графена на внешней стороне медной фольги
за счет диффузии атомов углерода с ее внутренней стороны.

Наличие в меди примесных атомов кислорода является необходимым условием этого процесса, то есть кислород выполняет функцию своего рода катализатора роста BLG. В достаточно сильном электрическом поле величина Eg может достигать 100 мэВ (рис. 2).

Изображение

Рис. 2. Ширина запрещенной зоны двухслойного графена
как функция напряженности поперечного электрического поля.
Сплошная линия – теория, квадраты и треугольники – эксперимент.

1. Y.Hao et al., Nature Nanotech. 11, 426 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»