Перст-дайджест, октябрь 2008

Перст-дайджест, октябрь 2008

Ключевые слова: Перст

Опубликовал(а): Гудилин Евгений Алексеевич

14 ноября 2008

Новая жизнь СКВИДов

Сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД) представляет собой замкнутый сверхпроводящий контур с двумя диэлектрическими барьерами – джозефсоновскими контактами, через которые могут туннелировать как отдельные электроны, так и куперовские пары. При силе тока меньше критической величины Ic ток через джозефсоновский контакт переносят только куперовские пары, а при I > Ic в переносе тока участвуют также и нормальные электроны, что приводит к возникновению электрического напряжения, которое зависит от потока магнитного поля через площадь контура. Этот эффект используется для изготовления датчиков магнитного поля, чувствительность которых настолько высока, что они способны регистрировать магнитные потоки во много раз меньше одного кванта потока F0 = h/2e = 2.07 фТлм2.

В работе [1] предложена новая область применения СКВИДов – для измерения (тоже сверхчувствительного) смещений физических объектов. Основная идея основана опять же на регистрации изменения магнитного потока через петлю СКВИДа, которое на сей раз происходит при изменении положения интегрированного в эту петлю объекта. В работе [1] роль такого объекта выполнял гибкий язычок механического резонатора (см. рис.). Авторам [1] удалось зафиксировать его смещения на 10-13 м, что близко к величине амплитуды нулевых (квантовых) колебаний. И это еще не предел: чувствительность устройства можно повысить, если использовать специальное приспособление для подавления шума.

Л.Опенов

1. S.Etaki et al., Nature Phys. 4, 785 (2008).

Хранение водорода все ещё остается узким местом при переходе к водородной энергетике и, в особенности, к транспорту на водороде. В основном водород хранят в жидком виде или газообразном под давлением. Однако не прекращаются поиски новых эффективных материалов – аккумуляторов водорода. В августе этого года Министерство энергетики США объявило о вложении в соответствующие исследования 15,3 миллионов долларов на 5 лет. Было отобрано 10 проектов, среди которых изучение и создание нанопористых сорбентов, углеродных материалов с высокой удельной поверхностью [1]. Действительно, ученые в разных странах по-прежнему считают, что идеальными кандидатами для хранения водорода могут быть новые углеродные материалы, и продолжают раскрывать их возможности. Особенно активны теоретики. Результаты работ [2-4] показали, что открытые недавно углеродные «наносвитки» (рис.1) способны абсорбировать водород в заметных количествах, особенно после введения добавок щелочных металлов, которые «раздвигают» поверхности в наносвитке.

При увеличении межслоевого расстояния от примерно 3,4 до 6,4 ангстрем сорбционная емкость растет от 2,5 масс.% (что само по себе уже немало) до 5,5 масс.% водорода при 150 К и давлении 1 МПа (при более высоком давлении результат может быть лучше) [2,3]. По образному определению авторов работы [2] мы имеем "раздувающиеся чемоданы" для водорода. Теоретические исследования [4], проведенные группой G.E. Froudakis'а в University of Crete (Греция), с использованием различных моделей и методов моделирования показали, что добавки лития в наносвитки увеличивают сорбционную емкость водорода от 0,19 до 3,31 масс.% при комнатной температуре и нормальном давлении! Причем роль лития, по мнению ученых, не ограничивается увеличением доступного пространства. Моделирование для наносвитка с межслоевым расстоянием около 8 ангстрем показало, что без лития сорбция водорода остается на уровне 0,19 масс.%.

Греческие теоретики не остановились на достигнутом и спроектировали современную камеру хранения для водорода (рис.2) [5]. Предлагаемый ими новый материал состоит из графеновых слоёв, которые поддерживаются углеродными нанотрубками (УНТ) как колоннами. Результаты теоретического исследования оказались просто замечательными. Продемонстрировано, что при добавлении Li гравиметрическая емкость этого нового материала при нормальных условиях достигает 6,1 масс.% (рис.3), а объемная – 41 г Н2/л (рис.4), что практически соответствует целям министерства энергетики США для транспорта (6 масс.% и 45 г/л) на 2010 г. (эти цифры служат ориентиром для исследователей разных стран). Без добавок лития результаты, как и полученные ранее для наносвитка [4], гораздо хуже.

Насыщение при росте давления наступает достаточно быстро, что тоже важно для безопасного применения на транспорте. Кадры компьютерного моделирования заполнения водородом прекрасного «колонного зала» приведены на рис.5. Видно, как увеличивается количество водорода при добавлении Li. Так авторы реализовали свою идею – разработать прочный материал с большой поверхностью и регулируемым размером пор. Этот материал, конечно, может применяться не только для хранения водорода. Пока это только красивый проект, но ученые рассчитывают на скорую поддержку экспериментаторов. Ведь за последнее время многие удивительные углеродные наноструктуры, например «нанопочки» (нанотрубки с фуллеренами) [6], стали реальностью.

О.Алексеева

2. V.P.Coluci et al., Phys. Rev. B 75, 125404 (2007).

3. S.F.Braga et al., Chem. Phys. Lett.441, 78 (2007).

4. G.Mpourmpakis et al., Nano Lett. 7, 1893 (2007).

5. G.K.Dimitrokakis et al., Nano Lett. 8, 3166 (2008).

6. ПерсТ 14, вып.5, с.1 (2007)

На протяжении всей истории существования человечества не прекращался поиск новых материалов с более совершенными механическими характеристиками. В память о достигнутых на этом пути успехах нам остались названия соответствующих эпох: каменный, бронзовый, железный века…. После открытия углеродных нанотрубок в литературе стала обсуждаться возможность их использования для изготовления сверхпрочных материалов нового поколения. Теория предсказывала, что твердость и прочность нанотрубок значительно выше, чем у всех известных конструкционных материалов [1], но экспериментально это очень долго подтвердить не удавалось.

В работе [2] сотрудников Northwestern University и Los Alamos National Laboratory впервые показано, что нанотрубки действительно являются такими же прочными, как и предсказывают квантово-механические расчеты. Более того, авторы [2] обнаружили, что предел прочности многостенных нанотрубок можно еще повысить за счет контролируемого формирования связей между соседними стенками. Это достигается путем облучения нанотрубок электронами. В отличие от предыдущих работ, в [2] поведение нанотрубок при механической нагрузке было изучено посредством просвечивающей (а не сканирующей) электронной микроскопии.

Схематические зависимости механических напряжений от деформации для двух классов материалов: хрупких (вверху) и пластичных (внизу). Эксперимент показывает, что углеродные нанотрубки относятся к первому из них, тогда как расчеты говорят об обратном. Первым практическим применением углеродных нанотрубок в материаловедении станет, по-видимому, их использование для укрепления полимерных композитов. Пока этому препятствует сравнительная дороговизна нанотрубок, а также еще нерешенная проблема, связанная с тенденцией нанотрубок образовывать связки, вместо того чтобы быть равномерно диспергированными по полимерной матрице. Кроме того, слабым звеном здесь могут оказаться границы раздела между нанотрубками и матрицей: именно на таких границах зарождаются трещины, распространяющиеся затем по всему образцу и приводящие к его разрушению. Если все эти барьеры удастся преодолеть, то … наступит Нанотрубочный Век!

Л.Опенов

1. S.Ogata, Y.Shiputani, Phys. Rev. B 68, 165 (2003).

2. B.Peng et al., Nature Nanotechn. 3, 626 (2008).

Благодаря своим уникальным свойствам углеродные нанотрубки (УНТ) уже давно привлекли внимание исследователей, работающих над созданием новых материалов для катализаторов, фильтров, электродов, конденсаторов и др. Особенно удобно для этих целей использовать макроскопические пластины из нанотрубок – так называемую бумагу, или buckypaper, которая в идеале должна иметь такие же хорошие механические, электрические и термические свойства, как и отдельные нанотрубки. Обычно такой материал получают путем фильтрации суспензии из нанотрубок с последующим промыванием и сушкой. Так, например, были получены макроскопические пластинки из одностенных УНТ, которые при работе в физиологических условиях (в соленой воде) и низком напряжении проявили характеристики, сопоставимые или даже превосходящие соответствующие характеристики натуральных мышц [1]. Но, к сожалению, и в этом, и в других случаях эффективность использования получаемой бумаги ограничена. Ее свойства (модуль упругости, тепло- и электропроводность) заметно уступают свойствам отдельных нанотрубок. В основном это связано с тем, что нанотрубки в бумаге искривлены, спутаны, ориентированы случайным образом. Поэтому очень важно разработать эффективные методы их ориентирования. Предлагаются различные пути, например, с использованием магнитного поля, но они довольно сложны, а помогают улучшить характеристики лишь частично. Новую методику получения бумаги из УНТ недавно разработали китайские исследователи [2]. Они предложили использовать принцип домино! «Сухой» in-situ метод действительно прост и эффективен. Он позволяет получать из ориентированных нанотрубок толстые плотные листы большой площади.

Рассмотрим предложенный способ подробнее. Сначала методом химического газофазного осаждения (CVD) на кремниевой подложке (обычно круг диаметром 10 см) «выращивают» густой «лес» многостенных нанотрубок высотой более 100 мкм. Затем применяется принцип домино (рис.1). Массив нанотрубок покрывают микропористой мембраной и «прокатывают» с помощью небольшого стального валика, сплющивая «лес» (а). Силы Ван-дер-Ваальса притягивают нанотрубки друг к другу. Образуется плотная бумага. С помощью микропористой мембраны она легко отделяется от подложки (b). Мембрану, в свою очередь, можно отделить, пропитав ее этанолом (c). Результаты исследования нового материала с помощью электронной микроскопии подтвердили, что использование принципа домино позволило получить более плотный материал, состоящий из хорошо ориентированных нанотрубок. Типичный вид сбоку выращенного массива УНТ высотой 500 мкм, а также отдельная нанотрубка диаметром 15 нм представлены на рис.2а. Поверхность бумаги, полученной из этого массива методом прокатки, показана на рис.2b. На рис. 3 (a,b) представлены фотографии бумаги, полученной по описанной выше методике. Поверхность бумаги очень гладкая, а сама бумага настолько прочная и гибкая, что ученые смогли сложить из нее лебедя-оригами (рис.3с). Но, конечно, материалу можно найти более важное применение.

Эффективная теплопроводность материала в направлении ориентирования нанотрубок равна 331 Вт/(м К), что хотя и намного ниже теплопроводности индивидуальной нанотрубки, но выше, чем у Al и близко к величине для Cu, и лучше полученных ранее результатов. В поперечном направлении теплопроводность равна 72 Вт/(м К), а для образца случайным образом ориентированных нанотрубок - 81 Вт/(м К). Эти свойства могут оказаться полезными для решения проблем отвода тепла в микроэлектронике. Электропроводность нового материала в направлении ориентирования нанотрубок также оказалась выше, чем у прежних образцов.

Такие материалы с контролируемой структурой, по мнению авторов [2], наиболее перспективны для электродов суперконденсаторов.

О.Алексеева

1. ПерсТ 9, вып. 24, с.2 (2002).

2. D.Wang et al. Nanotechnology 19, 075609(2008).

Успехи современной электронной микроскопии открывают возможность наблюдения нанометровых структур с атомным разрешением. Это позволяет, в частности, определять индексы хиральности углеродных нанотрубок (УНТ), связанных с ориентацией графитовой плоскости, из которой свернута УНТ, относительно оси трубки. Поскольку хиральность нанотрубки определяет ее электронные характеристики (тип проводимости, ширина запрещенной зоны и т.п.), указанная возможность создает основу для использования УНТ в качестве элементов наноэлектронных систем. Примером наблюдения структуры УНТ с помощью просвечивающего электронного микроскопа может служить опубликованная недавно работа [1], которая выполнена объединенной группой китайских и японских исследователей. В этой работе с помощью одного из лучших современных электронных микроскопов высокого разрешения (JEOL JEM-2010F HRTEM) получены практически совершенные изображения однослойных и двухслойных УНТ. Однослойные и двухслойные нанотрубки выращены методом химического газофазного осаждения паров (CVD) с использованием кобальтового катализатора непосредственно на медной сетке просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ). Изображения нанотрубок, полученные с помощью ТЕМ, позволяют с хорошей точностью определить диаметр нанотрубки и угол ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. Этого достаточно для установления индексов хиральности нанотрубки, которые, в свою очередь, определяют все ее электронные характеристики. В частности, индексы хиральности одной из однослойных УНТ, подвергнутых исследованию, оказались равными (20, 23). Эти данные подтверждаются результатами компьютерного моделирования изображения УНТ, полученные с помощью электронного микроскопа. Такой подход применялся также для определения индексов хиральности двух нанотрубок, составляющих двухслойную УНТ. Для конкретной УНТ, подвергнутой измерениям, индексы хиральности оказались равными (32, 23)@ (36, 32). Важной особенностью полученных изображений является наличие структурных дефектов, о непосредственном наблюдении которых сообщается впервые.

В то время как наблюдение тяжелых атомов с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) стало рутинным занятием, наблюдать легкие атомы и молекулы напрямую пока никому не удавалось, что связано с явлением снижения контраста по мере уменьшения массы атома. Всякий изображаемый объект находится на определенной поверхности, относительный вклад которой в формирование изображения тем больше, чем меньше масса объекта. По этой причине проблема прямого наблюдения легких атомов и молекул до сих пор представляет серьезный вызов для экспериментаторов. Недавно исследователи из University of California at Berkeley (США) достигли определенного прогресса на этом пути. Им удалось получить изображение атомов углерода и водорода, сорбированных на поверхности слоя графена. Преимущества такого подхода связаны, с одной стороны, с малой толщиной графенового слоя, которая имеет атомные масштабы, а с другой стороны - с его регулярной структурой, изображение которой имеет правильный характер и может быть легко вычтено из суммарной картины. Кроме того, графен обладает хорошей электропроводностью, что позволяет избежать вредного явления зарядки мишени под действием электронного пучка микроскопа.

А.В.Елецкий

1. H. Zhu et al., J. Phys. Chem. C 112, 11098 (2008).

Возможность повышения механических характеристик железа путем добавления углерода известна с древних времен. На этом принципе построена вся черная металлургия, благодаря достижениям которой механические свойства сталей значительно превышают соответствующие характеристики чистого железа. Новые модификации углерода (фуллерены, углеродные нанотрубки и т.п.) вновь пробудили интерес к проблеме получения твердых материалов на основе железа с добавлением углерода. Благотворное воздействие подобных структур на механические свойства сталей было продемонстрировано недавно открытием немецких археологов, которые обнаружили, что в состав музейного экземпляра сабли из дамасской стали, изготовленной в средневековье, входят многослойные углеродные нанотрубки. Все это стимулирует проведение направленных исследований влияния добавления наноуглеродных частиц на механические свойства сталей. Недавно опубликован подробный обзор результатов таких исследований, выполненных в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН совместно с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН. Цилиндрические образцы материалов диаметром 10 мм и высотой 5-6 мм на основе карбонильного железа, содержащие 10 вес.% фуллеренов С60, С70 или сажевого экстракта С60 + С70, были изготовлены на гидравлическом прессе в стандартных камерах высокого давления, используемых для синтеза сверхтвердых материалов, под давлением порядка 5 ГПа при температурах 1200-1400оС и изотермической выдержке до 10 мин. Полученные композиционные структуры исследовали с помощью микроскопа, спектрометра комбинационного рассеяния и рентгеновского дифрактометра. Твердость образцов измеряли с помощью нанотвердомера. Результаты измерений указывают на высокую износостойкость образцов композиционных материалов, содержащих примеси фуллеренов. Так, в отношении абразивной износостойкости эти материалы на порядок превосходят известные износостойкие стали ШХ15, а по коэффициенту трения (0,12) они приближаются к алмазоподобным покрытиям. Физический механизм, определяющий модификацию сталей, связан с преобразованием при высоких давлении и температуре микрокристалликов фуллерена в новую фазу углерода, характеризуемую повышенной твердостью. Детальные исследования показали, что результатом таких преобразований является многократное увеличение модуля упругости (до 10-15 ГПа) и износостойкости. При этом наибольший эффект наблюдается на образцах, полученных с использованием сажевого экстракта, который содержит смесь молекул фуллеренов различного сорта.

А.В.Елецкий

1. О.П. Черногорова и др., Российские нанотехнологии 3, №5-6, 150 (2008).

Источник: Перст

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь