Фантастика, ставшая нанореальностью
Неслучайно наноматериалам уделяют сегодня большое внимание. Они открывают перед человечеством новую эру, где невозможное становится возможным.
Например, от Земли до Луны можно протянуть тончайший кабель из одиночной нанотрубки. Причем места кабель занял бы настолько мало (толщина такой трубки в 50–100 тысяч раз тоньше человеческого волоса), что его можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 миллиметр, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше её собственной массы.
Самыми удивительными свойствами углеродных нанотрубок являются их прочность и легкость. Углеродная нанотрубка в 6 раз легче, и в 50–100 раз прочнее стали, несмотря на свою «невидимость».
Именно углерод является самым легко трансформируемым элементом периодической таблицы. Это природный конструктор, атомы которого могут образовывать причудливые соединения с различными свойствами. Эти свойства зависят от количества атомов в молекуле и от формы молекулы. Все мы помним из школьного курса химии про два непохожих друг на друга состояния углерода — алмаз и графит.
В 1991 году японский ученый Сумио Иидзима обнаружил новое состояние вещества — длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Молекула нанотрубки содержит более 1 миллиона атомов углерода и представляют собой трубку с диаметром около нанометра. Нанотрубка внутри полая, а её поверхность состоит из атомов углерода, образующих шестиугольники. Благодаря тому, что внутри нанотрубка пустая, в нее можно вводить атомы других веществ и использовать в качестве контейнера для их транспортировки. Это свойство составляет главную ценность нанотрубок как материала.
Что за этим кроется? Автомобильные двигатели, работающие не на бензине, а на экологически чистом водороде.
Раньше такие двигатели были невозможны только потому, что для хранения водорода необходимы «контейнеры» как раз такого маленького размера, как нанотрубки.
Лекарства от рака, которые будут доставлять активные вещества непосредственно в больной орган, и не отравлять здоровые.
Знакомьтесь — граф
Пока это только научные идеи, конкретные предложения по которым появятся в ближайшем будущем. Но уже сегодня углеродные наноматериалы нашли свое применение в различных отраслях промышленности. С 1992 года в Институте теплофизики СО РАН идут исследования атомарного состояния углерода.
Новейшим достижением сибирских ученых стала установка по производству нанотрубок, называемая нанограф. В начале октября установка была представлен в Москве на нанофоруме и вызвала живой интерес у нефтедобывающих компаний.
Дело в том, что кроме производства нанотрубок (рыночная цена этого сырья — 100 долларов за 1 грамм, а установка вырабатывает нанотрубки тоннами), нанограф поможет эффективно использовать попутный нефтяной газ, скапливающийся в скважинах и шахтах. Считается, что транспортировать его не выгодно. Поскольку метан — высокоэнергетичный газ, в атмосферу выпускать его нельзя: скопившись в верхних слоях, он может взорваться. Поэтому нефтяные компании не придумали ничего лучше, чем сжигать метан, затрачивая энергию и загрязняя экологию. Нанограф может разложить метан (СН4) на составляющие: водород (Н) и углерод ©.
«В установку запускается метан и давление в камере начинает расти, потому что вместо одной молекулы СН4, у нас образуется две молекулы водорода, — поясняет заведующий лабораторией разреженных газов ИТ СО РАН Сергей Новопашин. — За время порядка 10 минут почти весь метан преобразуется в водород и углеродные нанорубки».
Основой работы нанографа стала электрическая дуга — мощный и продолжительный электрический разряд в газах, физическое явление, открытое почти 2000 лет назад. Внутри электрической дуги достигаются высокие температуры, и любое вещество
можно разложить до атомарного состояния.
Представляет собой нанограф вакуумную камеру, внутрь которой помещены два графитовых электрода, между которыми зажигается электрическая дуга.
Графит распыляется до атомарного состояния, потом охлаждается в буферном газе. И из него получается уже другое вещество — наноструктурные материалы многоцелевого назначения.
К примеру, если в камеру нанографа пустить метан, полученный наноструктурный углерод будет обладать отличными сорбционными свойствами, то есть сможет притягивать на себя другие молекулы.
Такой наноматериал послужит средством устранения экологических катастроф — разливов нефти.
Пока, чтобы утилизировать нефть, делают бетонные саркофаги, где её «хоронят». А если наноуглерод добавить в нефть, получится гудрон — асфальтоподобный продукт, из которого можно выкладывать дороги.
Полученный от разделения вещества водород можно использовать в энергетике. Ценность этого элемента в том, что в процессе его горения не образуется вредных выбросов, только вода, безопасная для экологии.
В пыль и прах
Нанограф меняет свое назначение, если внутрь камеры поставить композиционный электрод из углерода и металла.
«В камеру напускаем гелий. Электрод распыляем до атомарного состояния, потом охлаждаем, и атомы образуют уже иную молекулярную структуру — наночастицы металла, которые держатся на углеродной матрице», — рассказывает Сергей Новопашин.
Такая форма существования вещества полезна, если нужно усилить каталитические свойства металла.
При дроблении элемента на наночастицы, возрастает в разы площадь соприкосновения вещества с поверхностью.
Значит, катализатора для проведения реакции потребуется намного меньше.
Экономия на массе приносит значительный эффект, поскольку катализаторы (платина, палладий) отнюдь не дешевые металлы.
«У катализаторов большая поверхностная энергия. Если их распылить, они быстро „слипаются“ в большие молекулы. А в нашей установке атомы металла держит углеродная матрица, как каркас. И это свойство сохраняется длительное время. Мы, в частности, пробовали использовать такой катализатор в создании топливных элементов», — комментирует Сергей Андреевич.
В камере нанографа можно получать не только нанопорошки катализаторов, но даже тугоплавкие соединения, например, карбид вольфрама.
Сам вольфрам не распыляется, поскольку это высокотемпературный металл. А из карбида вольфрама (WO3) можно сделать композиционный электрод. Установка, разработанная сибирскими учеными, может легко разложить это вещество. Благодаря своей супертвердости вольфрам используется в качестве упрочняющего покрытия на режущий инструмент (молоты, резцы, сверла, фрезы). Но со временем упрочняющее покрытие истачивается, его приходится время от времени напылять, покупать за границей нанопорошок карбида вольфрама. Теперь карбид вольфрама можно производить и в России.
Что касается ближайшего будущего, есть у лаборатории Сергея Новопашина в запасе одно интересное наблюдение.
До недавнего времени считалось, что самой большой теплопроводностью обладает алмаз — 3 000 атомов на квадратный метр-кельвин. Но у углеродных нанотрубок коэффициент теплопередачи в два раза выше — 6 000 атомов на квадратный метр-кельвин.
Нанотрубки, распределенные в жидкой среде, могут стать высокоэффективным теплоносителем для теплоэнергетики, атомной энергетики и автотранспорта. Хотя это уже совсем другая история из области нанореальности.