Воскресенье , 22 мая 2022
Главная / Разное / Нанонити: Металлические нанонити

Нанонити: Металлические нанонити

Содержание

На Кубани создали нанонити для масок, сдерживающие COVID-19 — Российская газета

На Кубани группа разработчиков создала специальный материал — нанонити, который можно использовать в изготовлении медицинских масок для сдерживания коронавирусной инфекции, а после эпидемии — применять эту технологию для систем очистки и опреснения воды. Об этом сообщает ТАСС со ссылкой на представителя группы разработчиков Дмитрия Лопатина.

«С конца марта мы начали проводить исследования: частицы копоти от керосина имеют примерно те же размеры, что и коронавирус, — прокомментировал Дмитрий Лопатин. — Мы проверили на всасывание ткань обычную, которая используется при изготовлении медицинских масок, и разработанные нами нанонити. Последние лучше задерживают частицы. Сейчас мы прорабатываем два варианта применения нанонитей для сдерживания распространения коронавируса: изготовление из них медицинских масок (уже ведем переговоры с двумя компаниями-производителями), также их можно использовать в сменных фильтрах для респираторов».

Известно, что группа изобретателей ведет свои разработки в городе Горячий Ключ, расположенном в 50 километрах от Краснодара. Ранее такой материал, как нанонити, или нитевидный нанокристалл (ННК), часто называемый также нановискер (от английского слова nanowhisker), успешно удалось получить ученым из Великобритании и США. Сейчас разработки в использовании этого одномерного материала ведутся уже в разных странах мира, однако считается, что даже получить такой материал сложно. Структура кристалла на молекулярном уровне является очень плотной и теоретически может задерживать даже бактерии.

По словам кубанских разработчиков, в будущем, после завершения пандемии, созданные нанонити также можно применять для систем очистки и опреснения воды.

Дмитрий Лопатин — выпускник Кубанского государственного университета. В 2019 году он предложил разработанную им прозрачную солнечную батарею. Этим проектом заинтересовалось министерство энергетики Объединенных Арабских Эмиратов.

Российские ученые нашли безопасный способ получения кремниевых нанонитей

Наноструктуры на основе кремния востребованы и применяются крайне широко: их используют в электронике, биомедицине, оптоволоконной оптике, солнечной энергетике и многих других областях. Особый интерес сейчас вызывают кремниевые нанонити диаметром около 100 нм. Такие нанонити находят применение в производстве транзисторов, чувствительных сенсорных элементов, в солнечных батареях, и как носители для таргетированной доставки лекарств.

Для получения массивов таких нанонитей обычно используют метод металл-стимулированного химического травления пластин монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты. Но плавиковая кислота токсична для окружающей среды и человека, а симптомы отравления ею тяжело распознать. Для масштабного промышленного производства кремниевых нанонитей необходимо найти менее токсичные способы их получения, и команда учёных МГУ имени М.В. Ломоносова предложила вариант решения этой проблемы.

«В данной работе был модифицирован метод металл-стимулированного химического травления для получения кремниевых нанонитей, где плавиковая кислота (HF) была заменена на гораздо менее токсичный фторид аммония (Nh5F). Электрохимическими методами исследован механизм образования нанонитей на поверхности подложек монокристаллического кремния, — рассказывает ведущий автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета МГУ Кирилл Гончар. — Исследованы структурные и оптические свойства полученных кремниевых нанонитей, также и в зависимости от рН растворов, которые использовались для изготовления наноструктур. Было показано, что форма нанонитей изменяется от вертикальной к пирамидальной с увеличением рН травящего раствора».


Картинка: микрофотографии разных форм кремниевых нанотией, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Источник: Кирилл Гончар, МГУ

Полученные образцы обладают крайне низкой отражающей способностью (вплоть до 5%) в видимом диапазоне светового спектра. Эта особенность более выражена для образцов с пирамидальной структурой. Она позволяет использовать такие нанонити для создания антиотражающего покрытия для солнечных батарей. Учёные также отмечают, что в произведённых их методом кремниевых нанонитях наблюдается усиление локализации света. Это свойство может быть также использовано для создания чувствительного элемента оптического сенсора на различные молекулы.

Исследование выполнено в новой Лаборатории физических методов биосенсорики и нанотераностики под руководством Любови Осминкиной на физическом факультете МГУ. Эта лаборатория учреждена в рамках Программы по созданию новых лабораторий под руководством молодых ученых в МГУ «Зелёный свет». В исследовании также принимали участие учёные химического факультета, факультета наук о материалах МГУ, а также сотрудники Института биологического приборостроения РАН.

Ученые нашли способ создания «гибких алмазов»

Ученые из Университета Карнеги изобрели простой способ изготовления «гибких алмазов». Это твердые и вместе с тем гибкие нанонити, которые могли бы стать основой для материалов нового поколения, сообщает

American Chemical Society.

Алмазные нанонити представляют собой ультратонкие одномерные углеродные цепочки, в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Между ними присутствует тот же тип связи, который делает алмазы самым твердым минералом на планете.

Однако вместо 3D-углеродной решетки, характерной для обычного алмаза, края этих нитей «увенчаны» углерод-водородными связями, которые делают всю структуру гибкой. Ученые полагают, что уникальные свойства углеродных нанонитей будут востребованы в самых разных областях, от создания сверхпрочных тканей до строительства космических лифтов.

Но производить их до недавнего времени было очень сложно. Одна из самых больших проблем заключалась в том, чтобы заставить атомы углерода реагировать предсказуемым образом. Каждый атом может вступать в химические реакции с разными соседями, что способно привести к нежелательным последствиям.

Авторы новой научной работы определили, что эту проблему можно решить, добавив вместо углерода азот. Это направит реакцию по предсказуемому пути. Результаты проверили на компьютерной модели.

Для эксперимента выбрали пиридазин – шестиатомное кольцо, состоящее из четырех атомов углерода и двух атомов азота. В модели исходный образец пиридазина изменился под давлением при формировании алмазной нанонити. После формирования нити между образцами было отмечено постоянное изменение цвета.

Ученые провели опыт в лабораторных условиях, взяв каплю пиридазина и загрузив ее в ячейку с алмазной наковальней (устройство для создания экстремального давления). В результате им удалось успешно создать первую нанонить из пиридазинового алмаза.

«Теперь, когда мы знаем, что можем изготовить этот материал, нам нужно начать производить достаточно, чтобы научиться определять механические, оптические и электронные свойства», – отметили авторы.

Ранее сообщалось, что российские ученые создали заживляющий материал. Основой для него стала паутина.

В Краснодарском крае наладят промышленное производство масок из нанонитей

В регионе приступили к проектированию производственной линии мощностью 60 тыс. единиц в сутки.

Как сообщали «Кубанские новости», группа ученых из Горячего Ключа разработала нанонити, которые способны сделать медицинские маски и сменые фильтры более эффективными для защиты от распространения коронавируса.

— Частицы копоти от керосина имеют те же размеры, что и коронавирус. Мы проверили на всасывание ткань обычную, которая используется при изготовлении медицинских масок, и разработанные нами нанонити, — сообщил представитель группы разработчиков Дмитрий Лопатин.

Исследования показали, что нанонити более успешно, чем ткань задерживают на себе частицы размеров, идентичных COVID-19.

Теперь специалисты приступили к проектированию производственной линии мощностью 60 тыс. единиц в сутки.

— Мы уже проектируем совместно с краснодарской компанией, разработавшей автоматическую линию по производству медицинских масок, линию по массовому производству фильтров из материала нанонитей. Ее мощность составит около 2-3 тыс. кв. м в сутки. На проектирование уйдет от одного до полутора месяцев, — рассказал ТАСС Дмитрий Лопатин.

По его словам, из одного квадратного метра материала нанонитей получается около 30 масок или фильтров для респираторов, при проектной мощности 2-3 тыс. кв. м. в сутки производственная линия будет выпускать в сутки около 60 тыс. масок.

В мае сообщалось, что в Краснодарском крае разработали первую в России производственную линию по изготовлению медицинских масок. Наладить производство такого оборудования в регионе, чтобы ликвидировать дефицит защитных средств, поручал губернатор Вениамин Кондратьев.

Новая автоматическая линия с ультразвуковым узлом для припайки петель производит трехслойные лицевые маски из нетканых материалов. Ее мощность – 60 штук в минуту или до 75 тысяч в сутки. Оборудование разработал и собрал «КраснодарСтанкоСтроитель».


Ученые МГУ нашли нетоксичный способ производства кремниевых нанонитей для солнечных батарей

Интеграция Электроника | Поделиться

Ученые МГУ нашли нетоксичный способ производства кремниевых наноматериалов. При производстве кремниевых наноструктур, востребованных в разных областях промышленности, как правило, используется достаточно токсичная плавиковая кислота. Сотрудники МГУ имени М.В. Ломоносова нашли способ, как избежать ее применения. Открытие ученых МГУ может найти применение в промышленном производстве основанных на нанокремнии антиотражающих покрытий для солнечных батарей, оптических сенсоров для обнаружения различных молекул, наноконтейнеров для доставки лекарств. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ), его результаты опубликованы в международном журнале Frontiers in Chemistry.

Наноструктуры на основе кремния востребованы и применяются крайне широко: их используют в электронике, биомедицине, оптоволоконной оптике, солнечной энергетике и многих других областях. Особый интерес сейчас вызывают кремниевые нанонити диаметром около 100 нм. Такие нанонити находят применение в производстве транзисторов, чувствительных сенсорных элементов, в солнечных батареях, и как носители для таргетированной доставки лекарств.

Для получения массивов таких нанонитей обычно используют метод металл-стимулированного химического травления пластин монокристаллического кремния в растворе плавиковой кислоты. Но плавиковая кислота токсична для окружающей среды и человека, а симптомы отравления ею тяжело распознать. Для масштабного промышленного производства кремниевых нанонитей необходимо найти менее токсичные способы их получения, и команда ученых МГУ имени М.В. Ломоносова предложила вариант решения этой проблемы.

«В данной работе был модифицирован метод металл-стимулированного химического травления для получения кремниевых нанонитей, где плавиковая кислота (HF) была заменена на гораздо менее токсичный фторид аммония (Nh5F). Электрохимическими методами исследован механизм образования нанонитей на поверхности подложек монокристаллического кремния, — сказал ведущий автор исследования, младший научный сотрудник физического факультета МГУ Кирилл Гончар. — Исследованы структурные и оптические свойства полученных кремниевых нанонитей, также и в зависимости от рН растворов, которые использовались для изготовления наноструктур. Было показано, что форма нанонитей изменяется от вертикальной к пирамидальной с увеличением рН травящего раствора».

CNews Analytics: Рейтинг операторов фискальных данных 2022

CNews Analytics

Полученные образцы обладают крайне низкой отражающей способностью (вплоть до 5%) в видимом диапазоне светового спектра. Эта особенность более выражена для образцов с пирамидальной структурой. Она позволяет использовать такие нанонити для создания антиотражающего покрытия для солнечных батарей. Ученые также отмечают, что в произведенных их методом кремниевых нанонитях наблюдается усиление локализации света. Это свойство может быть также использовано для создания чувствительного элемента оптического сенсора на различные молекулы.

Исследование выполнено в новой Лаборатории физических методов биосенсорики и нанотераностики под руководством Любови Осминкиной на физическом факультете МГУ. Эта лаборатория учреждена в рамках Программы по созданию новых лабораторий под руководством молодых ученых в МГУ «Зеленый свет». В исследовании также принимали участие ученые химического факультета, факультета наук о материалах МГУ, а также сотрудники Института биологического приборостроения РАН.

Серебряные нанонити помогли создать прозрачные проводящие пленки

Сетка из нанонитей серебра

University of Hamburg, Ferdinand Otto

Ученые из Германии и Швеции разработали технологию получения проводящих полимерных материалов различной гибкости и проверили их функциональные свойства. Электрическую проводимость обеспечивали серебряные нанонити, которые удалось вытянуть до значений соотношения длины к толщине 1000. Химики проверили эффективность материалов на поверхности солнечной батареи и мягкой многослойной пленки-конденсатора для гнущихся электронных устройств и оптимизировали состав проводящей пленки. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Для улучшения свойств материалов электронных устройств разрабатывают модифицированные композиционные материалы. Они представляют собой пригодные для печати проводящих пленок фотополимеры — полимеры, которые изменяют свои свойства под действием света. Структурные и механические свойства материала определяются полимерной матрицей, а проводящие зависят от модификатора. Часто в качестве добавок используют наноразмерные частицы металлов. Для появления тока в пленках с добавлением сферических наночастиц металлов электронам необходимо туннелировать от одной частицы к другой. Помимо этого, такие материалы плохо пропускают свет, а при больших концентрациях наночастицы склонны собираться в агломераты.

В качестве альтернативного решения создают полимеры с сетками из нанонитей. Производить пленки можно в промышленных масштабах и использовать их для создания гибких электронных устройств. Поверхностное сопротивление пленок не больше 30 Ом на квадрат при величинах пропускания около 90 процентов. Эти характеристики позволяют считать материалы хорошей альтернативой для оксида индия-олова в солнечных батареях. А плазмонные эффекты на металлических наночастицах можно использовать в создании биосенсоров и оптоэлектронных устройств.

Томке Глиер (Tomke Glier) с коллегами из Гамбургского университета создали пленки различной гибкости и проверили эффективность солнечной батареи, покрытой новой пленкой. Кроме того, исследователи изучили свойства гибкой пленки для электронных устройств. Ранее описанным полиоловым методом авторам удалось получить сетку из нанонитей толщиной в десятки нанометров и длиной от десяти до 20 микрометров. Слой из серебряной наносетки покрыли либо более твердым (для создания наружного слоя солнечной батареи), либо более мягким полимером (для создания гибкого конденсатора). Затем на него воздействовали ультрафиолетом в течение десяти минут, в результате чего полимер затвердел. Структуру и морфологию композита изучали методами электронной микроскопии, профилометрии, эллипсометрии и рентгеновского рассеяния (в число которых вошел метод малоуглового рентгеновского рассеяния со скользящим падением луча).

Изображения оптического микроскопа панелей солнечной батареи (d) без пленки (e) с одним слоем серебряной наносетки (f) с одним слоем полимера (g) со слоем копозитного материала из серебряной наносетки и полимера. В верхней части изображений указаны значения фототока.

Tomke E. Glier et. al., / Scientific Reports, 2019

Фотография полученного гибкого конденсатора

Tomke E. Glier et. al., / Scientific Reports, 2019

Варьируя концентрацию нанонитей в твердом прозрачном полимере для покрытия солнечных батарей, исследователи оптимизировали состав и способ создания композитной пленки. Поверхностное сопротивление составило 13 Ом на квадрат при значениях пропускания света длиной волны 700 нанометров 90 процентов. Используя матрицу из гибкого полимера, авторы получили и охарактеризовали композитный конденсатор емкостью около семи пикофарад. По словам авторов, подобные пленки можно производить достаточно простым и доступным методом послойной 3D-печати.

Эффекты, которые возникают в материалах с наночастицами можно использовать и для более сложных устройств. Например, исследователи из Мексики и США создали пленку с золотыми наностержнями, которая позволила повысить эффективность оптического резонатора.

Алина Кротова

Серебряные нанонити сохранят тепло

Если мы чувствуем, что нам холодно, – значит, тело теряет тепло быстрее, чем его может произвести наш организм. Поэтому ночью мы укрываемся одеялом, а зимой, чтобы не замерзнуть, надеваем теплую одежду. С точки зрения физики, шерстяной свитер или пуховик не могут греть – они лишь теплоизолируют тело от внешней среды. В результате тепло, вырабатываемое организмом, нагревает самого человека, а не окружающую среду. 

Подсчитано, что в среднем тело человека производит 187 Вт тепла, из которых примерно 24 Вт уходит за счет конвекции, а остальные 163 Вт приходятся на тепловое излучение. Разницу между конвекцией и излучением легко понять на таком примере: когда мы дышим теплым воздухом на замерзшие руки, происходит конвекционный перенос тепла, а если те же самые руки протягиваем поближе к горящему камину, то в этом случае их греет инфракрасное излучение. Обычная одежда хорошо предотвращает конвекцию, но от потерь через излучение защищает слабо. А это значит, что даже в самой теплой куртке мы все равно будем остывать, стоя на морозе.    

Такой порядок вещей не устроил исследователей из Стэнфорда, которые, вооружившись знаниями физики и нанотехнологиями, взялись создать самую теплую одежду. Основная задача состояла в том, чтобы сделать материал, который мог бы эффективно отражать инфракрасные лучи, излучаемые человеческим телом. Обычная алюминиевая фольга отлично справилась бы с такой задачей – она эффективно отражает тепловое излучение. Но материал, кроме того, чтобы сохранять тепло, должен быть проницаем для влаги – одежде необходимо «дышать». Физически он должен задерживать инфракрасное излучение, но в то же время пропускать молекулы водяного пара.  

Для этих целей на обычную ткань был нанесен слой из серебряных нанонитей. Нити образуют сетчатую структуру с размером пор порядка 200–300 нм, что примерно в 250 раз меньше диаметра человеческого волоса. Длина волн теплового излучения человека составляет приблизительно 9 мкм, поэтому такие лучи полностью отражаются от наносетки. В то же время, диаметра пор достаточно, чтобы через них свободно проходили молекулы воды – их размер около 0,2 нм. Еще одна замечательная особенность подобного материала – его проводимость для электричества. Если по одежде с покрытием из серебряных нанонитей пустить ток – то она будет нагреваться. Для этого вовсе не нужно подключать свитер к розетке и делать из него подобие электрического стула, достаточно использовать напряжение меньше одного вольта – абсолютно безопасное для организма. Естественный вопрос, сколько серебра пойдет на изготовление подобного материала и насколько такое покрытие будет крепким? Для изготовления одного квадратного метра хлопковой ткани с серебряным нанопокрытием потребуется около 0,1 грамма серебра, что не переводит полученную одежду в категорию драгоценностей. Создатели материала испытали устойчивость своей разработки. Оказалось, что ткань с серебряными нанонитями не утрачивает своих свойств после нескольких циклов стирки. Кроме того, серебро имеет антибактериальное действие, что продлевает срок службы ткани.

Будет ли серебряная нанотехнология согревать еще кого-нибудь, кроме исследователей в холодных лабораториях Стэнфордского университета, – покажет время.

 

О ЧПУ NSF | NSF Center for Nanothread Chemistry

NSF Center for Nanothread Chemistry (CNC) — это Центр химических инноваций (CCI) Национального научного фонда. Он объединяет команду химиков из университетов Пенсильвании, Корнелла, Нью-Йоркского университета и Брандейса, чтобы определить химию для производства нового класса органических молекул, которые имеют широко распространенную связь ковалентных связей в нескольких измерениях. Нанонити, первый такой пример, представляют собой сильно вытянутые одномерные молекулы с клеточными связями, похожие на тончайшие из возможных нитей алмаза и покрытые водородом по окружности.Таким образом, нанонити представляют собой «гибриды» углеводородных молекул и углеродных наноматериалов, которые в совокупности должны обладать свойствами обоих. На этапе I CCI, такие как CNC, должны разработать сотрудничество и планы для предлагаемых усилий по этапу 2 через 2 года (октябрь 2020 г.), что примерно в 7 раз больше в год и продолжается в течение пяти лет с возможностью продления еще на пять лет.

Команда делится коллекцией ключевых достижений в науке о нанонитях, представленной на временной шкале открытий нанонитей.Впервые они были теоретически предсказаны Креспи в штате Пенсильвания в 2001 году, а затем синтезированы там в 2014 году Баддингом с аспирантом Фицгиббонсом. Открытия Креспи стали ключом к идентификации продуктов реакции с бензолом как нанонитей. Траунер независимо сообщил о теоретических исследованиях и попытках синтеза нанонитей из полтвистана, начиная с 2014 года. Хоффманн и его коллеги впервые предсказали образование нанонити из бензола в 2011 году. 2018.Эти усилия стимулировали многие теоретические исследования. См. библиографию по нанонитям.

Аспирант Сян Ли из парижско-эдинбургского университета выступил против пресса с наковальней, используемого для синтеза нанонитей.

Синтез и синтетические методы лежат в основе химии, поскольку, если молекулу, полимер или твердое вещество нельзя синтезировать, их нельзя изучить экспериментально. Таким образом, синтез является ключевым направлением деятельности Центра. В то время как другие удлиненные углеродные структуры, такие как нанотрубки или графен, изготавливаются с помощью высокотемпературных и высокоэнергетических методов, нанонити синтезируются с помощью инновационной механохимической техники, в которой молекулы с множеством ненасыщенных функций реагируют под направленным напряжением, приложенным с тщательно контролируемой скоростью.Эта стратегия преодолевает традиционное требование топохимического соизмерения между реагентом и продуктом и, таким образом, позволяет гораздо большему количеству молекулярных кристаллов реагировать в четко определенные структуры, первыми примерами которых являются нити, полученные из бензола, пиридина и гексафторбензола. Их можно восстановить до атмосферного давления, пока что в количествах, измеряемых десятками мг. В год синтезируется более миллиона кг алмаза (гораздо больше, чем синтезируется методом CVD) при давлении примерно в два раза ниже, чем то, которое используется в настоящее время для нанонитей; Таким образом, снижение давления синтеза нанонити до этого режима является ключевой целью.

Команда Центра разработает практическое понимание механизма реакции нанонитей, чтобы сделать возможным проектирование нитей с желаемым расположением как внутренних гетероатомов, так и внешних функциональных групп, и использовать это понимание для увеличения масштабов синтеза за счет снижения реакционного давления. Модификация после синтеза позволит гибко включать новые группы с разнообразными функциями, которые затем могут взаимодействовать четко определенным образом вдоль основы нити. Также могут быть возможны структуры за пределами одного измерения, что открывает новую область химии, в которой можно исследовать новые структуры и свойства.Нанонити имеют продемонстрированный резонанс в общественном воображении из-за их уникальной архитектуры и потенциальной чрезвычайной прочности; это дает возможность для убедительных и привлекательных информационно-просветительских мероприятий. Инновации глубоко интегрированы во все виды деятельности Центра, включая профессиональное развитие, неформальное научное образование, работу с недостаточно представленными группами и потенциальные пути коммерциализации.


Вращающаяся нанонить из политвистана. Политвистан является одной из более чем 50 структур нанонитей, которые были перечислены (Phys.Преподобный Летт. 87, 125502 (2001), Nano Lett. 15, 5124 (2015)) и впервые был исследован Траунером (Chemistry-a European Journal 20, 1638 (2014)). Четырехкратная координация sp3-связи атомов углерода (черные сферы) вместе с закрывающими атомами водорода (белые сферы). Эти атомы водорода могут быть замещены функциональными группами или даже присоединенными молекулами. Наилучшие экспериментальные данные на сегодняшний день свидетельствуют о том, что нанонити, хотя и упорядоченные по своей длине, имеют химическую структуру не политвистана, а скорее более сложной нанонити, такой как жесткая хиральная-3 (см. примеры структур нанонитей и JACS 140, 7658). (2018)).
 
…непрерывный псевдоодномерный кристалл алмаза…
Нанонити и научная фантастика

Нанонити иногда неофициально называют «алмазными» нанонитями. Артур Кларк обсуждал «непрерывный псевдоодномерный алмазный кристалл» в своем научно-фантастическом романе 1979 года « Фонтаны рая».

О логотипе NSF CNC

Вин Креспи говорит о логотипе: «Я считаю, что это своего рода атомы, своего рода дифракционная картина, своего рода единая нанонить, своего рода пучок нанонитей».Оси шестикратной симметрии пронизывают науку о нанонитях.

 

 

 

 

 

 

 

Мы подтверждаем поддержку NSF CHE-1832471 для Центра химии нанонитей. Любые мнения, выводы и заключения или рекомендации, изложенные здесь, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда (NSF).

Аппарат давления | NSF Center for Nanothread Chemistry

Технология достижения высокого давления совершенствовалась в течение многих лет.Это занимает центральное место в усилиях ЧПУ. Соответствующие аппараты под давлением можно разделить на типы:

Противоположная наковальня

Устройство с противоположными наковальнями прикладывает противоположную силу в противоположных направлениях к двум наковальням. Примеры включают ячейку с алмазными наковальнями и пресс Париж-Эдинбург, которые использовались для синтеза нанонитей. Обычно к образцу прикладывается одноосная составляющая напряжения, немного более высокое напряжение в направлении приложенной нагрузки (вертикальное на изображении ниже).Эта одноосная составляющая напряжения выравнивает нанонити по ней, так что гексагональная ось с нанонитей будет вертикальной в устройстве ниже.

Сян Ли из Paris-Edinburgh Opposed Anvil Press. Положение верхнего поршня регулируется резьбой, которую видно сверху. Нижний поршень, на который Сян кладет образец, приводится в движение гидравлическим насосом. Этот пресс VX3 может оказывать усилие до 200 тонн на наковальни, которые состоят из различных твердых материалов, таких как спеченный алмаз.

 

Вот крупный план ячейки PE с веб-сайта SNAP, на котором более четко видны противоположные упоры и два поршня.

 

Двойной тороидальный инкапсулированный размер образца для ячейки Париж-Эдинбург. Размеры указаны в мм. Изображение предоставлено J. Molaison SNAP/ORNL.

 

На этой веб-странице SNAP, где Фитцгиббонс и др. впервые синтезировали нанонити, описаны некоторые возможности парижско-эдинбургской прессы. Одиночные тороидальные наковальни позволяют синтезировать «некапсулированные» образцы объемом до 87 мм³ в благоприятных условиях при давлении до 10 ГПа, а «капсулированные» — до 55.2}{3} (3r-h)\,$$ объем образца на рисунке слева равен 21,8 мм 3 . h — высота сферического колпака, r — радиус. Коммерческий аппарат высокого давления синтезирует >10 6 кг алмаза в год при давлении от 5 до 6 ГПа.

ЧПУ покупает 450-тонный пресс V7 Париж-Эдинбург у MG63. Вот список их прессы и фотография.

Обычные ячейки с алмазными наковальнями сжимают гораздо меньшие объемы, <0,05 мм 3 . Однако новые разработки с крупными монокристаллическими алмазами значительно увеличивают размер выборки до ~0.15 мм 3 . Алмазные ячейки выгодны для измерений на месте, несмотря на меньшие объемы образцов. Например, мы исследовали формирование нанонитей на месте при высоком давлении, используя ячейку с алмазными наковальнями и синхротронную рентгеновскую дифракцию на усовершенствованном источнике фотонов.

Мультинаковальня

На этой веб-странице описывается аппарат с несколькими упорами, который сжимает образцы, которые могут быть больше, чем образцы в аппарате с противоположными упорами, до давления до 25 ГПа или более. Пресс V7 Париж-Эдинбург можно использовать для экспериментов с несколькими наковальнями.Вот видео на YouTube, показывающее пресс с несколькими наковальнями в лаборатории Yingwei Fei в геофизической лаборатории Института Карнеги. Он имеет первую ступень Уокера и октаэдрическую вторую ступень. См. услуги Fei здесь. Видео зеленой прессы показано на этой веб-странице. Два других пресса обычно используют конфигурацию с разделенным цилиндром для первой ступени вместо конфигурации Walker.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Углеродные нанонити из бензола | Природные материалы

  • Даль, Дж.Э., Лю С.Г. и Карлсон Р.М.К. Выделение и структура высших алмазоидов, молекул алмаза нанометрового размера. Наука 299 , 96–99 (2003).

    КАС Статья Google ученый

  • Джаривала Д., Сангван В. К., Лаухон Л. Дж., Маркс Т. Дж. и Херсам М. К. Углеродные наноматериалы для электроники, оптоэлектроники, фотогальваники и датчиков. Хим. соц. Ред. 42 , 2824–2860 (2013).

    КАС Статья Google ученый

  • Вен, X. Д., Хоффманн, Р. и Эшкрофт, Н. В. Бензол под высоким давлением: история превращения молекулярных кристаллов в насыщенные сети с возможной промежуточной металлической фазой. Дж. Ам. хим. соц. 133 , 9023–9035 (2011).

    КАС Статья Google ученый

  • Он, С.Ю., Сун, Л.Z., Zhang, C.X. и Zhong, J.X. Низкоэнергетический трехмерный кристалл углеводорода в результате холодного сжатия бензола. J. Phys. Конденс. Материя 25 , 205403 (2013).

    Артикул Google ученый

  • Тьери, М. М. и Леже, Дж. М. Твердые фазы бензола под высоким давлением. 1. Раман- и рентгеноструктурные исследования C6H6 при 294-К до 25-ГПа. J. Chem. физ. 89 , 4255–4271 (1988).

    КАС Статья Google ученый

  • Чабини, Л.и другие. Триггерная динамика аморфизации бензола при высоком давлении. Природа Матери. 6 , 39–43 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Бриджмен, П. В. Изменение фазы под давлением. I. Фазовая диаграмма одиннадцати веществ с особым упором на кривую плавления. Физ. Ред. 3 , 153–203 (1914).

    Артикул Google ученый

  • Блок, С., Weir, CE & Piermarini, GJ Полиморфизм в бензоле, нафталин и антрацен при высоком давлении. Наука 169 , 586–587 (1970).

    КАС Статья Google ученый

  • Пьермарини Г. Дж., Мигелл А. Д., Вейр К. Э. и Блок С. Кристаллическая структура бензола-2 при давлении 25 килобар. Наука 165 , 1250–1255 (1969).

    КАС Статья Google ученый

  • Скеттино, В.и Бини, Р. Сдерживание молекул при максимальном сближении: Химия при высоком давлении. Хим. соц. Ред. 36 , 869–880 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Чабини, Л., Санторо, М., Бини, Р. и Скеттино, В. Реакционная способность твердого бензола при высоком давлении, исследованная с помощью инфракрасной спектроскопии. J. Chem. физ. 116 , 2928–2935 (2002).

    КАС Статья Google ученый

  • Цитрони, М., Бини Р., Фогги П. и Скеттино В. Роль возбужденных электронных состояний в аморфизации бензола при высоком давлении. Проц. Натл акад. науч. США 105 , 7658–7663 (2008 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Прузан, П. и др. Превращение бензола в полимер после статического давления до 30 ГПа. J. Chem. физ. 92 , 6910–6915 (1990).

    КАС Статья Google ученый

  • Чеппателли, М., Санторо, М., Бини, Р. и Скеттино, В. Реакционная способность твердого фурана при высоком давлении, исследованная с помощью инфракрасной и рамановской спектроскопии. J. Chem. физ. 118 , 1499–1506 (2003 г.).

    КАС Статья Google ученый

  • Стойкович Д., Чжан П. Х. и Креспи В. Х. Наименьшая нанотрубка: нарушение симметрии sp 3 связей в трубчатой ​​геометрии. Физ. Преподобный Летт. 87 , 122502 (2001).

    Артикул Google ученый

  • Бини, Р., Чеппателли, М., Цитрони, М. и Скеттино, В. От простого к сложному и наоборот. Химические реакции под очень высоким давлением. Хим. физ. 398 , 262–268 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Челацци Д., Чеппателли М., Санторо М., Бини Р. и Скеттино В. Синтез кристаллического полиэтилена под высоким давлением с использованием оптического катализа. Природа Матери. 3 , 470–475 (2004).

    КАС Статья Google ученый

  • Аоки К., Какудате Ю., Йошида М., Усуба С. и Фудзивара С. Твердофазная полимеризация цианоацетилена в сопряженные линейные цепи под давлением. J. Chem. физ. 91 , 778–782 (1989).

    КАС Статья Google ученый

  • Ковачич П.и Кох, Ф.В. Полимеризация бензола в п-полифенил хлоридом железа. Дж. Орг. хим. 28 , 1864–1867 (1963).

    КАС Статья Google ученый

  • Тесс, А. и др. Кристаллические жгуты из металлических углеродных нанотрубок. Наука 273 , 483–487 (1996).

    КАС Статья Google ученый

  • Эгами Т.& Billinge, SJL Под пиками Брэгга: структурный анализ сложных материалов 2-е изд., Vol. 16 (Серия материалов Pergamon, Pergamon-Elsevier Science, 2012).

    Google ученый

  • Barua, S.R. et al. Полытвистан. Хим. Евро. J. 20 , 1638–1645 (2014).

    КАС Статья Google ученый

  • Робертсон, Дж.Механизм фотолюминесценции в аморфном гидрогенизированном углероде. Диам. Относ. Матер. 5 , 457–460 (1996).

    КАС Статья Google ученый

  • Шлютер А.Д. Лестничные полимеры нового поколения. Доп. Матер. 3 , 282–291 (1991).

    Артикул Google ученый

  • Li, Z.Q., Lu, C.J., Xia, Z.P., Zhou, Y.и Луо З. Рентгеновские дифрактограммы графита и турбостратного углерода. Углерод 45 , 1686–1695 (2007).

    КАС Статья Google ученый

  • Чабини Л., Санторо М., Бини Р. и Скеттино В. Фотоиндуцированное раскрытие кольца бензола под высоким давлением. Физ. Преподобный Летт. 88 , 085505 (2002).

    Артикул Google ученый

  • Скеттино, В., Бини Р., Чеппателли М., Чабини Л. и Ситрони М. Химические реакции при очень высоком давлении. Доп. хим. физ. 131 , 105–242 (2005).

    КАС Google ученый

  • Клотц, С., Хамель, Г. и Фрелат, Дж. Новый тип компактного пресса большой емкости для рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей. Высокий пресс. Рез. 24 , 219–223 (2004).

    КАС Статья Google ученый

  • Фанг, Дж., Булл С.Л., Лавдей Дж.С., Нельмес Р.Дж. и Каменев К.В. Анализ прочности и оптимизация двойных тороидальных наковальней для исследований высокого давления. Rev. Sci. Инструм. 83 , 093902 (2012).

    КАС Статья Google ученый

  • Лучшие характеристики алмазной нанонити для применения в нановолокнах

    Деформация кручения

    Модель DNT была создана на основе недавних экспериментальных результатов и расчетов из первых принципов 13,14 .Как показано на рис. 1а, ДНТ содержит дефекты преобразования SW (SWD). Перед построением пучка DNT мы исследовали равновесные расстояния между двумя нитями DNT с помощью серии релаксационных симуляций в изотермическо-изобарическом ансамбле. Подробно были рассмотрены две модели ДНТ с разными начальными расстояниями в латеральном и продольном направлениях и разной ориентацией (рис. 1б–г). Обнаружено, что если начальное расстояние меньше ∼11 Å, две ДНТ будут притягиваться друг к другу (за счет силы Ван-дер-Ваальса), что приводит к равновесному расстоянию ∼6.25 Å. Окончательная оптимизированная геометрия едина для всех рассмотренных моделей. Типичное волокно (длина ∼17 нм) с семью нитями было сконструировано, как показано на рис. 1f.

    Рисунок 1: Схематическое изображение моделей алмазных нанонитей.

    ( a ) Образец модели DNT с дефектом трансформации SW (SWD), верхняя часть панели показывает вид сбоку, а нижняя часть панели представляет собой вид в поперечном сечении. ( B D D ) Схематические виды двух моделей DNT с различными боковыми расстояниями ( L x и l y

    9), Ориентация θ и продольное расстояние л з .( e ) Равновесная морфология двух нитей DNT, полученная в результате моделирования минимизации и релаксации (при 1 K, с периодическим граничным условием в направлении длины). ( f ) Схематический вид сбоку (слева от панели) и вид в поперечном сечении (справа от панели) семижильного волокна, изготовленного из ДНТ.

    На рис. 2а показана гравиметрическая энергия деформации пучка ДНТ в зависимости от скорости скручивания. Здесь Δ E t , m , ϕ , l 0 – соответственно энергия деформации, масса образца, угол закручивания и длина исходного образца.Теоретически энергия кручения Δ E t может быть рассчитана по углу закручивания ϕ (в радианах) в упругом режиме. Здесь G и I p представляют модуль сдвига и полярный момент инерции соответственно. Согласно рис. 2а, профиль гравиметрической энергии кручения хорошо согласуется с параболической зависимостью вплоть до большой скорости закручивания, что означает, что он следует закону Гука. В частности, предел упругости при сильном кручении около 0.57 рад нм −1 наблюдается для исследуемого пучка ДНТ, что соответствует торсионному углу около 8,6 рад или 493°. Здесь предел упругости при кручении определяется как максимальная скорость скручивания до разрыва связи, которая связана с максимальной упругой энергией, которую может выдержать конструкция. Как показано на рис. 2b, в процессе скручивания не происходит сплющивания из-за сверхтонкой характеристики ДНТ, а разрушение начинается с фиксированного конца конструкции. После возникновения разрыва связи обнаруживается явное снижение энергии, связанное с разрывом отдельных нитей ДНТ.Например, обнаружено, что разрушение второй нити DNT (рис. 2b) вызывает выделение энергии деформации около 0,1 МДж  кг -1 (от B до C на рис. 2a). Отметим, что после каждого падения энергии обычно следует период закалки, что понятно, так как разрушение нити ДНТ высвобождает определенное количество энергии деформации в оставшихся нетронутыми нитях ДНТ.

    Рисунок 2: Сравнение деформации кручения связок DNT и CNT.

    ( a ) Гравиметрическая плотность энергии деформации Дж в зависимости от скорости кручения.( b ) Атомные конфигурации, показывающие структурное изменение пучка на основе ДНТ при скорости кручения 0,34, 0,62, 0,63 и 0,73 рад нм −1 , соответствующие точкам от A до D в a . Верхние изображения представляют собой виды с торца, а соответствующие виды сбоку показаны ниже (только разорванные нити DNT визуализируются на B, C и D). ( c ) Атомные конфигурации, иллюстрирующие уплощение пучка на основе УНТ во время деформации кручением. Левое изображение — это вид сбоку, а правое изображение показывает переходы поперечного сечения при разных скоростях скручивания.Атомы окрашены в зависимости от номера нити в волокне.

    Интересно сравнить деформацию кручения с пучковой структурой из УНТ. В связи с этим мы взяли в качестве примера наиболее распространенные (10,10) нанотрубки «кресло». Здесь была принята та же длина нанотрубки ~17 нм, а область нагрузки на каждом конце составляет около 1 нм. Прогнозы согласуются с предыдущими исследованиями 11 . Небольшая скручивающая нагрузка вызовет сплющивание УНТ (<0,04 рад нм -1, точка A’ на рис.2а). За счет уплощения (рис. 2в) происходит быстрое накопление гравиметрической энергии деформации и разрушение структуры пучка происходит при очень малой скорости закручивания ~0,16 рад нм −1 , что почти в три раза меньше, чем у ДНТ. пучок. Эти результаты показывают, что ультратонкие DNT обладают очень превосходной способностью к деформации при кручении по сравнению с обильными (10,10) CNT. Стоит отметить, что применяемая скорость нагружения может повлиять на расчетный предел упругости при кручении.В связи с этим мы повторили тест еще на четырех скоростях нагружения с периодом закручивания от 4000 до 8000 пс на одном ДНТ. Установлено, что в упругом режиме все кривые энергии кручения перекрываются друг с другом, а предел упругости флуктуирует с малой s.d. (~ 0,4%, см. Дополнительный рисунок 1). Эти результаты показывают, что результаты не зависят от применяемой скорости скручивания.

    Мы также сравнили торсионные свойства между отдельными DNT и (10,10) CNT. Подобно тому, как видно из структуры пучка, ДНТ имеет гораздо более высокий предел упругости при кручении (∼1.67 рад нм -1 ) по сравнению с (10,10) УНТ (∼0,67 рад нм -1 ). Однако из-за ультратонкого диаметра для ДНТ оценивается очень малая жесткость на кручение (т. е. ∼20 эВ Å), что почти на три порядка меньше, чем у (10,10) УНТ (т.е. ∼18 689 эВ Å). Несмотря на это, аппроксимируя ДНТ как сплошной вал, а УНТ как круглый полый вал (толщиной 3,4 Å), мы обнаруживаем, что ДНТ имеет модуль сдвига, сравнимый с модулем сдвига (10,10) УНТ.В частности, модуль сдвига для УНТ (10,10) составляет около 423 ГПа, что хорошо согласуется с предыдущими значениями (в диапазоне 300–547 ГПа) 19 . Для сравнения, для DNT получен модуль сдвига около 114 ГПа. Изучая кривую энергии деформации семинитевого пучка ДНТ, мы получили жесткость при кручении около 325 эВ Å (со скоростью кручения в пределах 0,2 рад нм −1 ). Для сравнения, пучок УНТ (10,10) демонстрирует жесткость при кручении около 1,65 × 10 4  эВ Å (со скоростью кручения в пределах 0.05 рад нм −1 до чрезмерного сплющивания), более чем в 50 раз больше, чем у пучка DNT (см. подробные расчеты на дополнительном рис. 2). Кроме того, для сравнения с ДНТ были приняты еще три УНТ меньшего диаметра, в том числе (4,3) УНТ, (0,8) УНТ и (5,5) УНТ. Равномерно установлено, что пучки УНТ имеют большую жесткость при кручении, но меньший предел упругости при кручении, чем у ДНТ, тогда как зазор между ними сужается с уменьшением диаметра УНТ (см.3 и дополнительную таблицу 1). Следует отметить, что шаг SWD в исследованной структуре ДНТ минимален. В более ранних работах было показано, что жесткость ДНТ контролируется плотностью СВД, то есть чем меньше СВД, тем выше жесткость 18 . Таким образом, пучок, построенный из ДНТ с меньшим SWD, имеет более высокую жесткость при кручении, как показано на дополнительном рис. 4. растяжение, сжатие и изгиб.Предыдущая работа над пучком УНТ (10,10) (с числом прядей меньше 19) предполагала, что деформации кручения и растяжения являются доминирующими механизмами деформации, а деформация изгиба незначительна 11 . Кроме того, деформация ДНТ зависит от его местоположения, например, внешний ДНТ с большим расстоянием до оси кручения будет испытывать большую деформацию растяжения, а также деформации изгиба, но все ДНТ имеют одинаковый угол кручения. Рассмотрение вариаций геометрической структуры ДНТ, понимание вклада различных компонентов деформации, а также процесса деформации в каждой составляющей ДНТ требует существенной работы, подобной той, которая была проведена в пучках УНТ 11,20 , которая заслуживает дальнейшие систематические исследования.

    Межфазная передача нагрузки

    Одним из основных свойств волокна является эффективность межфазной передачи нагрузки, которую можно оценить с помощью теста на отрыв, который часто проводится для нанокомпозитов 21,22 . Напомним, что на рис. 1f релаксированный пучок DNT еще более релаксировал, когда периодические граничные условия были сняты, а правый конец ядра DNT и шесть окружающих нитей были зафиксированы. После этого к правому концу основного DNT прикладывали низкую постоянную скорость (0,02 Å ps -1 ), сохраняя при этом все шесть окружающих DNT жесткими.В процессе вытягивания «переносимая нагрузка» принимается в качестве показателя эффективности передачи нагрузки, который рассчитывается путем суммирования всех осевых сил, действующих на сердечник DNT. Для сравнения также было проведено испытание на отрыв пучка (10,10) УНТ (при той же длине образца).

    На рис. 3 сравнивается профиль передаваемой нагрузки ( F ​​ ) между связкой ДНТ и (10,10) УНТ в зависимости от смещения ( d ) конца основной жилы.Поразительно, хотя кривые F ​​ d испытывают относительно большие колебания (как будет объяснено ниже), переданная нагрузка сохраняет почти постоянное среднее значение как для пучков ДНТ, так и для пучков УНТ до полного вытягивания стержня сердечника. Мы также исследовали пучок ДНТ меньшей длины (∼10 нм), из которого получен тот же результат. Такие результаты показывают, что передаваемая нагрузка не зависит от встроенной длины основной нити (либо пучка ДНТ, либо пучка УНТ).Это явление отличается от общепринятой концепции объемных композитов, но может быть объяснено с точки зрения суперсмазывающей способности, широко обсуждаемой для многослойных углеродных нанотрубок , 23,24, , интерфейса графен/золото , 25, и других жестких слоистых материалов . 26 . Мы вернемся к этому механизму, исследуя процесс извлечения в комплекте CNT в следующем разделе. Усредняя зарегистрированную силу от смещения d от 60 до 100 Å, обнаружено, что сердечник DNT испытывает передаваемую нагрузку около 1.83 эВ Å −1 , что более чем в два раза выше по сравнению с сердцевиной (10,10) УНТ (около 0,58 эВ Å −1 ). Здесь передаваемая нагрузка усреднена только для диапазона перемещений от 60 до 100 Å, чтобы уменьшить влияние конца конструкции пучка. В качестве альтернативы, следуя общепринятому определению прочности на сдвиг, DNT оценивается как имеющая прочность на сдвиг около 151 МПа, что на порядок больше, чем у пучка УНТ (~ 12 МПа). Здесь L аппроксимируется как 15 нм, а диаметр DNT оценивается как 4.12 Å по понятию линейной плотности атомов ( δ , в единицах атомов на Å) исходя из объема структуры 14,27,28 . Для (10,10) УНТ принят внешний диаметр, который представляет собой сумму диаметра УНТ (13,56 Å) и межслоевого расстояния графита (3,35 Å). Эти оценки показывают, что ДНТ демонстрирует гораздо лучшую эффективность передачи нагрузки, чем (10,10) УНТ в структуре жгута.

    Рис. 3: Сравнение теста на отрыв между DNT и CNT.

    Переносимая нагрузка в зависимости от смещения конца жилы для связок DNT и CNT. Сплошные линии — соответствующие сглаженные кривые. Пунктирная зеленая линия указывает на полное вытягивание основной жилы.

    Передача нагрузки в связке УНТ

    Перед раскрытием механизмов передачи нагрузки в структуре пучка ДНТ мы сначала рассмотрели структуру пучка УНТ (10,10). В идеале существует только ван-дер-ваальсово (vdW) взаимодействие между соседними УНТ.Для идеальных оболочек из УНТ межоболочечное трение можно рассчитать по формуле , где γ — плотность энергии сцепления между оболочками для одиночной оболочки (равная 0,16 Н м −1 ) 23,29 . Принимая это уравнение, сила трения составляет около 0,43 эВ Å −1 для пучка УНТ, что близко к результатам на рис. ядро и окружающие УНТ) наряду с процессом вытягивания создаются две новые поверхности на правом конце основной нити и левом конце окружающих УНТ (вытягивание слева направо).Таким образом, соответствующее изменение поверхностной энергии (Δ E s ) равно работе переданной нагрузки, которая является линейной функцией приращения смещения (Δ x ), то есть (здесь γ ss и γ sc представляют поверхностную плотность энергии окружающих УНТ и сердцевины УНТ соответственно). Мы должны подчеркнуть, что наблюдаемая независимость от длины передаваемой нагрузки в пучке УНТ согласуется с предыдущими результатами моделирования МД и in situ вытягивания многостенных УНТ 24,30,31,32,33 .Теоретические исследования показали, что существует сильное влияние длины на механизмы передачи нагрузки при вытягивании многостенных УНТ 34 , то есть усилие вытягивания не зависит от длины перекрытия, когда длина перекрытия составляет намного меньше длины кроссовера L * (что превышает 200 нм). Однако, когда длина перекрытия больше, чем длина пересечения, межфазное трение зависит от длины, что также предсказывается на основе приближенной модели 35 , основанной на среднем поле, и наблюдается экспериментально, когда длина волокна УНТ находится в заказ микрометра 36 .

    Помимо этой характеристики, кривая F ​​ d для пучка УНТ показывает относительно большую флуктуацию. На увеличенном виде кривой от смещения 60–70 Å (рис. 4а) видно, что колебания имеют очень правильную периодичность. Применяя быстрое преобразование Фурье к кривой F ​​ d (для 40 Å< d <130 Å), получается единственная доминирующая частота (∼8,21 ГГц), что соответствует смещению на ∼2.44 Å. Применительно к структуре УНТ такое приращение смещения совпадает с постоянной решетки, то есть ( a — длина углеродной связи, ~1,42 Å). В связи с этим мы рассмотрели соизмеримость интерфейса структуры бандла. Из-за одних и тех же составляющих УНТ каждая контактная поверхность между соседними УНТ аналогична двухслойному графену. Как известно, оптимальным режимом укладки двухслойного графена с точки зрения полной энергии является конфигурация с параллельным смещением (обозначаемая как укладка AB, где половина атомов углерода в верхнем слое находится поверх гексагональных центров нижнего слоя), а наихудший режим укладки — это сэндвич-конфигурация (обозначается как укладка AA, когда решетки двух слоев полностью перекрываются) 26,37 .Из структуры пучка после минимизации энергии мы обнаружили, что сердцевина (10,10) УНТ имеет четыре низкоэнергетических стэкинг-интерфейса AB и два высокоэнергетических стэкинг-интерфейса AA с шестью окружающими УНТ (рис. 4b). Этот интерфейс дополнительно виден, когда мы исследуем бесконечную треугольную решетку (10,10) УНТ с шестикратной симметрией, то есть каждая треугольная решетка УНТ имеет два интерфейса AB и один интерфейс AA (дополнительная таблица 2). Другими словами, ядро ​​УНТ имеет некий соизмеримый интерфейс с окружающими УНТ.При вытягивании по зигзагообразному направлению эта соизмеримая граница неоднократно переходит из состояния минимальной энергии в высокоэнергетическое состояние с одинаковым периодом , т. е. переход AA-SP 1 -AA и AB- SP 2 -AB в интерфейсе. Здесь SP 1 и SP 2 представляют две конфигурации с параллельным смещением между двумя эквивалентными конфигурациями AA или AB соответственно (рис. 4c). Таким образом, этот периодический переход вызывает периодические колебания передаваемой нагрузки и придает профилю волнообразную форму.Стоит отметить, что режим радиального дыхания УНТ также может влиять на передаваемую нагрузку 38,39,40 . Однако, поскольку режим радиального дыхания взаимосвязан с взаимодействием интерфейса vdW 39 , простая изоляция его влияния на передаваемую нагрузку недоступна, что заслуживает дальнейшего исследования (см. Дополнительное обсуждение на дополнительном рис. 5).

    Рисунок 4: Передача нагрузки интерфейса в связке CNT.

    ( a ) Увеличенная F ​​ d кривая пучка УНТ, показывающая очень регулярные периодические колебания переносимой нагрузки.Красная линия — сглаженная кривая. ( b ) Схематическое изображение типов интерфейса между соседними УНТ в структуре пучка (слева на панели). Интерфейсы вдоль горизонтальных направлений имеют конфигурацию стека AA, а остальные вдоль других наклонных направлений имеют конфигурации стека AB. На изображении справа от панели показаны вид сбоку (вверху) и вид сверху (внизу) двух репрезентативных конфигураций стекирования AA и AB на интерфейсе. ( c ) Схематическое изображение перехода AA-SP 1 -AA и AB-SP 2 -AB на интерфейсе пучка УНТ во время вытягивания, с SP 1 и SP 2 , представляющими две конфигурации с параллельным смещением между двумя эквивалентными конфигурациями AA или AB соответственно.

    Непрерывное скольжение в пучке DNT

    Хотя кривая F ​​ d для пучка DNT также имеет периодический флуктуационный характер, ее профиль имеет пилообразную форму, а не правильную синусоидальную форму, наблюдаемую на комплект УНТ. Как показано на рис. 5а, каждый зубец пилы имеет ширину около 2,5 Å, что составляет примерно половину единичной длины ДНТ. Эта интересная особенность пилообразной формы означает, что связка DNT имеет совершенно другие механизмы передачи нагрузки, чем связка CNT.Из-за ультратонкой структуры и алмазоподобного тетраэдрического мотива исследованные ДНТ не имеют радиальной моды дыхания и ароматических поверхностей (или π–π* межтрубочковых взаимодействий). Скорее гидрогенизированная поверхность ДНТ придает структуре пучка интерфейс, аналогичный интерфейсу между гидрогенизированными алмазоподобными углеродными пленками, который, как предполагается, имеет чрезвычайно низкий коэффициент трения или обладает сверхсмазывающей способностью 41 . Широко распространено мнение, что водород будет пассивировать незанятые или свободные σ-связи атома углерода, что сделает атомы углерода химически инертными и приведет к очень малому адгезионному взаимодействию (т. е. низкому трению) при скольжении 42 .В отличие от этого, для пучка ДНТ обнаруживается большая передаваемая нагрузка, что можно объяснить с двух сторон. Во-первых, в процессе извлечения DNT ведет себя практически как прямой цилиндр. По аналогии с УНТ работа, совершаемая переносимой нагрузкой, равна поверхностной энергии вновь созданных поверхностей при отрыве. То есть передаваемая нагрузка не зависит от длины перекрытия сердечника ДНТ. Во-вторых, высокая плотность SWD придает ДНТ зигзагообразную морфологию, т. е. зигзагообразную вдВ-поверхность 22 , которая привносит прерывистое движение в ядро ​​ДНТ.Такое прерывистое движение вызывает сильное кинетическое или динамическое трение во время отрыва.

    Рисунок 5: Передача нагрузки интерфейса в связке DNT.

    ( a ) Увеличенная F ​​ d кривая пучка ДНТ, показывающая сильно периодические колебания передаваемой нагрузки, а также пилообразную форму. Пурпурная линия представляет собой схематическое изображение пилообразной кривой. ( b ) Атомные конфигурации, иллюстрирующие прерывистое движение ядра DNT во время отрыва.Верхнее изображение представляет собой всю структуру пучка DNT, а верхнее правое изображение показывает вид в поперечном сечении, который иллюстрирует два направления просмотра, то есть 1–1 и 2–2. Вставки A-OS, B-SS, C-PS и D-SS — соответствующие конфигурации атомов при смещениях, соответствующих A, B, C и D в a , в которых только три нити вдоль 2-2 направлений визуализируются для наглядности. Здесь визуализируются только атомы C у правого конца окружающих DNT для облегчения идентификации явления прерывистого скольжения, и они окрашены в зависимости от номера нити в волокне.Синие линии на проекциях 1–1 на вставках A-OS, B-SS, C-PS и D-SS иллюстрируют фактическое смещение/смещение всего ДНТ от A–B, B–C и C–D соответственно. . Здесь средние пунктирные и сплошные синие линии представляют расположение отслеживаемых атомов в предыдущем и текущем состояниях, которые ясно показывают сдвиг ядра DNT между двумя состояниями. ( c ) Сравнение длины связи C–C ядра DNT более 1,61 Å в четырех соответствующих состояниях в b в перекрывающейся области от 70 до 170 Å ( z -координата).

    Из анализа атомарных конфигураций ядро ​​DNT имеет две стабильные минимальные конфигурации, включая статус перекрытия (OS, см. вставку A-OS на рис. 5b) и статус параллельного сдвига (PS, вставка C-PS на рис. 5b). рис. 5б). Для статуса перекрытия атомы ядра ДНТ имеют точно такие же координаты вдоль направления длины, что и окружающие ДНТ (аналогично AA-укладке в двухслойном графене). При параллельно-смещенном статусе атомы ядра ДНТ сместились примерно на половину своей единицы длины (∼2.5 Å) вдоль аксиального направления ОС (аналог АБ-укладки). Переходы ядра DNT между различными состояниями проиллюстрированы на рис. 5б, приняв в качестве начала состояние минимальной энергии OS (вставка A-OS на рис. 5b). Как видно, лишь незначительное смещение решетки (ближе к правому концу окружающих ДНТ) появляется, когда ядро ​​ДНТ переходит из ОС в натянутое состояние, о чем свидетельствует небольшое расстояние между пунктирной и сплошной синими линиями на вставке. Б-СС на рис. 5б. Для сравнения, из напряженного состояния (B-SS) в состояние с параллельным смещением (C-PS) решетка испытывает внезапный большой сдвиг в направлении растяжения (см. пунктирную и сплошную синие линии на вставке C-PS на рис.5б). После этого ядро ​​DNT снова переходит из состояния минимальной энергии (C-PS) в напряженное состояние (D-SS), и, таким образом, наблюдается небольшой сдвиг решетки. Следует еще раз подчеркнуть, что перемещение на рис. 3а и 5а зафиксировано от нагрузочного конца сердечника ДНТ, что не является перемещением центра масс всего сердечника ДНТ.

    Очевидно, что во время вытягивания произойдет значительный набор силы, когда ДНТ выйдет из стабильного состояния, и ядро ​​ДНТ будет растянуто в напряженное состояние (НС), а не будет двигаться в направлении вытягивания (области А –B и C–D на рис.5а). Как только сила тяги станет достаточно большой, чтобы пересечь энергетический барьер, DNT внезапно изменится из конфигурации SS в соседнее состояние с минимальной энергией, что отражается внезапным резким снижением передаваемой нагрузки (область B – C на рис. 5а). Напряженный статус также хорошо виден по распределению длин связей ядра DNT в четырех репрезентативных конфигурациях (то есть A-OS, B-SS, C-PS и D-SS). При расчете распределения длин связей учитывается перекрывающийся участок сердцевины ДНТ от 70 до 170 Å (координата z ).По сравнению с рис. 5в длины связей ядра ДНТ для двух напряженных состояний (B-SS и D-SS на рис. 5a) значительно больше, чем в случаях A-OS и C-PS. Здесь рассматривается только растянутая связь C–C длиной более 1,61 Å, полное сравнение распределения длины связи C–C ядра DNT можно найти на дополнительном рисунке 6. В целом повторение перехода OS- SS-PS-SS (или A-B-C-D на рис. 5а) во время вытягивания создает сильный механический эффект блокировки, то есть скачкообразное движение, что, следовательно, приводит к пилообразному профилю передаваемой нагрузки.Другими словами, несмотря на то, что пучок DNT имеет полностью гидрированную алмазоподобную границу раздела, его высокосоразмерные границы раздела обеспечивают гораздо более высокую эффективность передачи нагрузки по сравнению с пучком (10,10) CNT. Следует отметить, что текущее исследование было сосредоточено на типичном пучке из семи нитей. Согласно результатам на волокнах УНТ, существуют очевидные масштабные эффекты, обусловленные их диаметром и длиной (то есть числом нитей и длиной нити). Например, в пучках УНТ большего диаметра растяжение, изгиб и деформация сжатия, вызванные скручиванием, играют более важную роль по сравнению с меньшими пучками 11,20,43 .С другой стороны, как упоминалось выше, сила/трение на границе раздела во время вытягивания многостенной УНТ будет зависеть от длины перекрытия, когда ее длина намного больше, чем длина пересечения 34 . Таким образом, ожидается дальнейшее тщательное исследование, чтобы выявить влияние масштаба на механические свойства связок DNT.

    Для дальнейшей проверки наблюдения о том, что пакет DNT обладает гораздо большей эффективностью передачи интерфейсной нагрузки, чем пакет CNT, мы исследовали скользящее поведение еще трех меньших пакетов CNT, включая (4,3) CNT, (0,8) CNT и ( 5,5) УНТ.Обнаружено, что все пучки УНТ демонстрируют постоянную усредненную передаваемую нагрузку при скольжении, которая значительно меньше, чем у ДНТ, в диапазоне от 0,31 до 0,34 эВ Å –1 (см. рис. 6а и дополнительный рис. 7). В соответствии с приведенным выше расчетом напряжение сдвига на границе раздела колеблется около 11,5  МПа для жгутов УНТ, которое постепенно уменьшается с увеличением диаметра составляющих УНТ. По сравнению с прочностью на сдвиг на границе раздела или передаваемой нагрузкой эти результаты однозначно показывают, что пучки DNT обладают более высокой эффективностью передачи нагрузки на интерфейс, чем пучки CNT.

    Рисунок 6: Передача нагрузки в различных пакетах DNT и CNT.

    ( a ) Сравнение передаваемой нагрузки. ( b ) Пучки ДНТ, состоящие из гладкого ДНТ (без SWD) и спирального мягкого ДНТ (на нижнем изображении отчетливо видна спиральная особенность мягкого ДНТ). Чтобы избежать влияния конца спирали, основная нить длиннее окружающих ДНТ (одна единица длины на каждом конце). Был рассмотрен более короткий пучок, так как передаваемая нагрузка не зависит от длины перекрытия, а окружающие нити составляют приблизительно 10 нм.Скользящая нагрузка возлагалась на экструдированный конец сердечника ДНТ.

    Следует отметить, что существует три типа нанонитей, включая ахиральные, жесткие хиральные и мягкие хиральные (классифицированные по их геометрическим характеристикам) 14 , и текущая работа была сосредоточена на ДНТ с дефектами преобразования Стоуна-Уэйлса. Вышеприведенные обсуждения ясно показали, что эффективная эффективность передачи нагрузки на интерфейс для пучка ДНТ возникает из-за сильного механического эффекта блокировки, который возникает в результате зигзагообразной морфологии или неровностей поверхности составляющих ДНТ.Поэтому ожидается, что нанонити с очень неровной поверхностью будут обладать высокой эффективностью передачи нагрузки на интерфейс (полное сравнение геометрических структур ДНТ можно найти в работе Xu et al , 14 ). В связи с этим мы выбрали еще два репрезентативных пучка ДНТ, один из которых представляет собой прямой ДНТ без SWD и имеет гладкую поверхность, а другой принадлежит к мягкой хиральной группе, которая имеет стабильную спиральную структуру — с сильно нерегулярной структурой. поверхность (рис.6б). Следуя тем же настройкам моделирования, мы обнаруживаем, что прямая DNT имеет очень маленькую передаваемую нагрузку около 0,25 эВ Å −1 , тогда как спиральная нанонить демонстрирует высокую максимальную передаваемую нагрузку (∼3,3 эВ Å −1 ) на ранней стадии. стадия скольжения, приводящая к разрыву связи конструкции. Этот результат указывает на то, что межфазная нагрузка может быть нагружена до предела упругости мягкой хиральной нанонити. Если предположить, что сердечник ДНТ подвергается чистой деформации растяжением, такая максимальная передаваемая нагрузка равна растягивающему напряжению ~35 ГПа.В целом, эти результаты хорошо подтвердили наше предположение о том, что нанонити с гладкой поверхностью будут обладать низкой эффективностью передачи нагрузки на границе раздела, в то время как нанонити с сильно неровной поверхностью будут иметь очень высокую эффективность передачи нагрузки. Подробности приведены на дополнительном рис. 8.

    Синтез углеродных нанонитей из бензола

    Углеродные наноматериалы, например, фуллерены, нанотрубки и графен с размерностями 0, 1 и 2 соответственно, обладают красивыми схемами химической связи и необычайной физические и химические свойства: 1–3 см. рис. 1(а).Как и в случае с графитом, их атомы углерода связаны с тремя соседями. Молекулы алмазоида и графана (полностью гидрированная форма графена) имеют четырехкратную тетраэдрическую связь (как у алмаза) и размерности 0 и 2 соответственно: см. рисунок 1(b). Молекула алмазоида адамантана, закрытая атомами водорода, представляет собой наименьшую элементарную ячеистую структуру кристаллической решетки алмаза. Точно так же графан представляет собой тончайший возможный лист алмаза. В связи с этим возникают вопросы относительно того, какую форму будет иметь самая тонкая из возможных 1D алмазная нить.

    Рис. 1. Размерность и геометрия связи углеродного наноматериала для (а) фуллерена (C 60 ), нанотрубок и графена и (б) алмазоида (адмантана) и графана. Черные и не совсем белые сферы представляют собой углерод и водород соответственно.

    В романе 1979 года Фонтаны Рая Артур Кларк предложил «непрерывный псевдоодномерный кристалл алмаза». графит) к химической реакции под высоким давлением может привести к такому одномерному наноматериалу. 5, 6 Мы обнаружили, что когда затвердевший бензол сжимается до давления, в 200 000 раз превышающего атмосферное, а затем очень медленно сбрасывается, создается частично упорядоченный материал. 7 Для определения образования нитей субнанометрового диаметра с алмазоподобной углеродной связью мы использовали комбинацию расчетов из первых принципов, ядерного магнитного резонанса, рамановской спектроскопии, рентгеновской и нейтронной дифракции и электронной микроскопии (см. рис. 2). ). Также сообщалось о доказательствах образования алмазных нанопроволок внутри обычных нанотрубок. 8

    Рис. 2. Представление одиночной алмазоидной нанонити, неупорядоченной по длине. Алмазоподобное тетраэдрическое расположение атомов углерода более четко видно на увеличенном изображении (вставка).

    Алмаз

    является самым прочным из известных материалов, поэтому разумно предположить, что нити из алмазоида будут иметь значительную прочность. Предлагаемое применение «одномерного алмаза» Кларка было сверхпрочным и легким кабелем для космического лифта, позволяющим путешествовать к спутникам на геостационарной орбите.После их открытия в 1991 году углеродные нанотрубки (также известные своим экстремальным отношением прочности к весу) 1 считались возможными кандидатами на эту научно-фантастическую концепцию. Первопринципные расчеты возможных структур алмазоидных нанонитей показали, что они могут обеспечивать прочность и жесткость, равные или превышающие таковые у нанотрубок (>1,1 ТПа). 6 Более поздние расчеты показали возможность создания целого семейства прочных нанонитей, основанных на алмазоподобном углероде, но с различными конфигурациями связей. 9

    Поведение бензола под давлением исследуется уже почти столетие. Однако до наших экспериментов наблюдались только аморфные продукты реакции без четко различимой последовательности. 10 Узкий пик Брэгга, видимый как на рентгеновских, так и на нейтронных дифрактограммах не совсем белого твердого вещества, которое мы синтезировали при медленном сжатии бензола, является явным признаком того, что материал имеет порядок. 7 Изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) — см. рис. 3(а), — показывают параллельные бороздки, соответствующие порядку, наблюдаемому на дифракционных картинах.После обработки нанонитей ультразвуком в растворителе, чтобы разрушить их, мы смогли наблюдать особенности, наводящие на мысль об отдельных нитях, выступающих из края массы нитей: см. Рисунок 3(b).

    Рис. 3. (a) Изображение, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), показывает полосы, напоминающие нанонити, расположенные на расстоянии 6,4 Å друг от друга, от центра к центру. Профиль линии вдоль отмеченного пути имеет шаг сетки 2 нм. (b) ПЭМ-микрофотография обработанных ультразвуком нанонитей, наводящая на мысль об отдельных нитях, выходящих из края образца.(c) Экспериментальные и смоделированные парные функции распределения G(r) для рентгеновского излучения и нейтронов. Серые кривые внизу показывают теоретические вклады отдельных пар для последовательных координационных сфер.

    Обычные углеродные нанотрубки упакованы в гексагональные пучки, при этом одна трубка окружена шестью другими. Из-за их схожих структурных свойств было бы разумно ожидать, что нанонити будут упаковываться аналогичным образом. Полосы, видимые на рисунке 3 (а), соответствуют нанонитям, расположенным на расстоянии 6.4Å от центра к центру, значение, близкое к тому, которое мы предсказали, используя расчеты из первых принципов для модельных насадок с шестигранной резьбой. 7 Узкий дифракционный пик, наблюдаемый на рентгенограммах и нейтронограммах, может свидетельствовать об упорядоченной упаковке нитей. Положение и интенсивность этого пика снова соответствуют предсказанному расстоянию между нитями. 7

    На основе картин нейтронной и рентгеновской дифракции удалось вывести парные функции распределения, которые показывают вероятность нахождения одного атома на заданном расстоянии от другого. 7 Нейтроны чувствительны к межатомным расстояниям как по водороду, так и по углероду, тогда как рентгеновские лучи чувствительны в первую очередь к расстояниям по углероду. Наша модель структуры нанонитей, скорректированная так, чтобы иметь соответствующий уровень беспорядка по их длине и упакованных в гексагональные пучки, предсказала парные функции распределения, которые хорошо соответствуют экспериментальным результатам как для рентгеновских лучей, так и для нейтронов: см. Рисунок 3(c). Другие структуры наноматериалов-кандидатов, такие как графан и известные молекулы алмазоида, могут быть исключены, потому что их предсказанные функции распределения пар не соответствуют эксперименту.

    Мы находимся только в самом начале наших исследований структуры, свойств и потенциальных применений алмазоидных углеродных нанонитей. Для простоты изготовления было бы желательно снизить давление, необходимое для синтеза. Это может быть возможно за счет модификации условий синтеза или использования различных молекул-предшественников. Алмазная крошка синтезируется в промышленных масштабах по разумной цене при давлениях, в три-четыре раза меньших, чем те, которые используются для синтеза нанонитей. 11 Аналогичное количество нанонитей в принципе можно было бы производить, если бы давление можно было снизить до аналогичного диапазона. Органическая химия, используемая в синтезе нанонитей, отличается универсальным кинетическим контролем, который она обеспечивает над продуктами реакции. Таким образом, возможно изготовление нанонитей различных типов, включая химически функционализированные или сшитые нанонити.

    Таким образом, используя экспериментальные и теоретические методы, мы обнаружили доказательства того, что углеродные нанонити могут быть синтезированы из сжатого бензола.В будущей работе мы будем исследовать возможность синтеза многих различных типов нанонитей, включая химически функционализированные или сшитые нанонити, из различных химических прекурсоров, связанных с бензолом. Мы также будем использовать передовые методы ПЭМ с исправлением аберраций для исследования структуры нитей на атомном уровне.

    Эта работа была поддержана в рамках Центра исследований передовых энергетических ресурсов в экстремальных условиях (EFree), исследовательского центра передовых энергетических ресурсов, финансируемого Управлением науки Министерства энергетики США под номером награды DE-SC0001057.

    Джон В. Баддинг, Винсент Х. Креспи

    Университет штата Пенсильвания

    Университетский парк, Пенсильвания

    Джон В. Баддинг — профессор химии и физики.

    Винсент Х. Креспи — выдающийся профессор физики, химии и материаловедения.

    Каталожные номера:

    1. Jariwala D., Sangwan VK, Lauhon LJ, Marks TJ, Hersam MC, Углеродные наноматериалы для электроники, оптоэлектроники, фотогальваники и датчиков, Chem.соц. 42(7), с. 2824-2860, 2013. doi: 10.1039/c2cs35335k 2. Даль Дж. Э., Лю С. Г., Карлсон Р. М. К. Выделение и структура высших алмазоидов, молекулы алмаза нанометрового размера. 96-99, 2003. doi:10.1126/science.1078239 3. Дж. О. Софо, А. С. Чаудхари, Г. Д. Барбер, Графан: двумерный углеводород, Phys. Ред. B 75, с. 153401, 2007. doi:10.1103/Physrevb.75.153401 4. Х.-Д. Вен, Р. Хоффманн, Н. В. Эшкрофт, Бензол под высоким давлением: история превращения молекулярных кристаллов в насыщенные сетки с возможной промежуточной металлической фазой, J.Являюсь. хим. соц. 133(23), с. 9023-9035, 2011. doi:10.1021/ja201786y 5. Barua S.R., Quanz H., Olbrich M., Schreiner P.R., Trauner D., Allen W.D., Polytwistane, Chem. Евро. J. 20(6), с. 1638-1645, 2014. doi:10.1002/Chem.201303081 6. Д. Стойкович, П. Х. Чжан, В. Х. Креспи, Наименьшая нанотрубка: нарушение симметрии связей sp(3) в трубчатых геометриях, Phys. Преподобный Летт. 87(12), 2001. doi:10.1103/PhysRevLett.87.125502 7. Т. С. Фитцгиббонс, М. Гатри, Э.-С. Сюй, В. Х.Креспи, С. К. Давидовски, Г. Д. Коди, Н. Алем, Дж. В. Баддинг, Углеродные нанонити, полученные из бензола, Nat. Матер. 14, с. 43-47, 2015. doi:10.1038/nmat4088 8. Ж.-Ю. Чжан, З. Чжу, Ю.-К. Фэн, Х. Ишивата, Ю. Мията, Р. Китаура, Дж. Э. П. Даль и др., Доказательства образования алмазных нанопроволок внутри углеродных нанотрубок из диамантандикарбоновой кислоты, Angew. хим. Междунар. Эд. 52(13), с. 3717-3721, 2013. doi:10.1002/Anie.201209192

    9. Э.-С. Сюй, П. Э. Ламмерт, В. Х. Креспи, Систематическое перечисление нанопотоков sp3, Nano Lett. , подано, 2015 г.

    10. Л. Чабини, М. Санторо, Ф. А. Горелли, Р. Бини, В. Скеттино, С. Раугей, Триггерная динамика аморфизации бензола под высоким давлением, Nat. Матер. 6(1), с. 39-43, 2007. doi:10.1038/nmat1803

    11. М. А. Прелас, Г. Поповичи и Л. К. Бигелоу (ред.), Справочник по промышленным алмазам и алмазным пленкам , Марсель Деккер, Нью-Йорк, 1998.

    Забудьте о графеновых и углеродных нанотрубках, приготовьтесь к алмазной нанонити

    Сегодня мы получили новое представление об алмазных нанонитях благодаря работе Хайфей Чжан из Технологического университета Квинсленда в Австралии и нескольких его друзей.Эти ребята смоделировали нити, используя крупномасштабное моделирование молекулярной динамики. И они приходят к выводу, что материал может быть более универсальным, чем кто-либо думал. Есть предварительные признаки того, что алмазная нанонить сама по себе может стать новым чудо-материалом.

    Команда штата Пенсильвания изготовила нанонить из молекул бензола, простых колец атомов углерода. Нетрудно понять, как такая стопка может соединяться таким образом, что образует нить.

    И это именно то, что сделала команда Penn State.Они уложили молекулы в линию, поместили ее под давление, чтобы молекулы полимеризовались и, вуаля, создали алмазную нанонить.

    В теории это звучит просто, но сложность возникает из-за того, как атомы углерода могут связываться. Возможны различные конфигурации, и вопрос, который исследуют Чжан и его коллеги, заключается в том, как свойства нити зависят от этих конфигураций.

    В частности, Жан и компания рассматривают две наиболее распространенные конфигурации. Первый представляет собой простой полимеризованный бензол — набор таких колец, связанных вместе.Это жесткая молекула, которая становится все более хрупкой по мере увеличения длины. Создание чего-либо сложного из длинных секций полибензола было бы похоже на попытку шить из сырых спагетти.

    Но есть и другая конфигурация атомов углерода, известная как дефекты Стоуна-Уэйлса, и они гораздо более податливы. Действительно, дефекты Стоуна-Уэйлса действуют как шарниры, соединяющие секции полибензола.

    Жан и его коллеги моделируют, как свойства нанонити изменяются по мере увеличения плотности этих дефектов.И они пришли к выводу, что когда плотность пересекает определенный порог, нить внезапно меняется с хрупкой на полностью гибкую — примерно так же, как разница между сырыми и приготовленными спагетти.

    Интересный результат. Это означает, что свойство нанонити можно настроить, просто контролируя плотность дефектов Стоуна-Уэйлса по ее длине. Так некоторые части нити можно сделать жесткими, а другие полностью гибкими.

    Какие возможные применения? «Его легко настраиваемая пластичность в сочетании со сверхлегкой плотностью и высоким модулем Юнга делает алмазную нанонить идеальной для создания чрезвычайно прочных трехмерных наноархитектур», — говорят Чжан и его коллеги.

    Конечно, эта работа всего лишь имитация. Почти наверняка будут различия между его предсказаниями и поведением алмазных нанонитей в реальном мире. Таким образом, следующим шагом для материаловедов будет создание строительных комплектов нанонити и реальное измерение свойств этого материала.

    Учитывая огромный интерес к углеродной архитектуре и огромные суммы денег, вливаемые в эту область (только в Европейском союзе есть исследовательский проект стоимостью 1 миллиард евро, посвященный исключительно графену), несомненно, не пройдет много времени, прежде чем мы увидим алмазные нанонити в плоть и некоторые экстраординарные приложения, которые она должна сделать возможными.

    Check Also

    Профессия ит специалист: Профессия IT-специалист. Описание профессии IT-специалиста. Кто такой IT-специалист. . Описание профессии

    Содержание Что такое IT специалист — Кто кем работаетСамые востребованные IT-профессии 2021 года / Блог …

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.