2.1.10. Застосування вуглецевих нанотрубок.

Приладобудування. Вчені створили перший наномасштабний мотор на основі багатостінних нанотрубок. Вуглецева нанотрубка виконує свого роду роль осі, на якій монтується ротор. Максимальні розміри наномотора близько 500 нм, ротор має довжину від 100 до 300 нм, а ось нанотрубка-вісь має впоперек розмір всього декілька атомів, тобто приблизно 5-10 нм.

На основі нанотрубки можливе створення мікроскопічних ваг. Для цього потрібно перетворення електричних коливань в механічні. Для збудження коливань нанотрубки під дією електричного поля її закріплюють на одному з двох електродів, під кутом до другого електроду. При подачі на електроди електричної напруги трубка заряджається і за рахунок електростатичного притягання відхиляється до другого електроду. Якщо на електроди подати змінну напругу, частота якої збігається з частотою власних коливань нанотрубки, що залежать від її товщини і довжини, виникнуть механічні коливання нанотрубки. Визначивши (спектроскопічними методами) частоту її власних коливань і прикріпивши до неї досліджуваний зразок, можна визначити частоту коливань навантаженої нанотрубки. Ця частота буде менша частоти коливань вільної нанотрубки: адже маса системи збільшилася, а жорсткість залишилася колишньою. Наприклад, в ході одного з експериментів було виявлено, що вантаж, який зменшує частоту коливань з 3,28 МГц до 968 кГц, має масою 22 8 фг (фемтограм, тобто 10^-15 грам).

Інший приклад, коли нанотрубка є частиною фізичного приладу – це "насадження" її на вістря скануючого тунельного або атомного силового мікроскопа. Зазвичай таке вістря представляє собою гостро заточену вольфрамову голку, але за атомними мірками така заточка все одно достатньо груба. Нанотрубка ж являє собою ідеальну голку діаметром порядку декількох атомів. Прикладаючи певну напругу, можна підхоплювати атоми й цілі молекули, що знаходяться на підкладці безпосередньо під голкою, і переносити їх з місця на місце.

Наноелектроніка. Незвичайні електричні властивості нанотрубок роблять їх одним з основних матеріалів наноелектроніки.

1. Вже зараз створені дослідні зразки польових транзисторів на основі однієї нанотрубки: прикладаючи запираючу напругу в кілька вольт, вчені навчилися змінювати провідність одношарових нанотрубок на 5 порядків.

Співробітники Нагойском університету (Японія) і Університету ім. Аалто (Фінляндія) виготовили високоякісні тонкоплівкові транзистори на вуглецевих нанотрубках.

Група дослідників виготовила на основі графенової плівки новий тип суперконденсатора, який може зберегти в перерахунку на одиницю маси стільки ж енергії, скільки і нікелево-гидридні акумуляторні батареї. Але, на відміну від акумуляторів, суперконденсатор може бути заряджений або розряджений всього за кілька секунд.

Новий суперконденсатор має щільність зберігання енергії 85,6 Вт/год/кг при кімнатній температурі і 136 Вт/год/ кг при температурі 80 ° C. Такі значення роблять ці суперконденсатори рекордсменами серед суперконденсаторів, виготовлених із застосуванням вуглецевих наноматеріалів.

Комп’ютерна індустрія. Також передбачається розробка плат пам'яті принципово нового зразка, створених на основі нанотехнологій. Так, компанія ТОВ Nantero активно займається розробкою нових технологій, зокрема, приділяє чималу увагу пошуку способів створення незалежної оперативної пам'яті (RAM) на основі вуглецевих нанотрубок NRAM ((енергонезалежна) RAM). Ідея полягає у використанні вуглецевих нанотрубок з товщиною стінок в один атомний шар і діаметром порядку 20 нм, які на двох кремнієвих підкладках укладені в масив таким чином, що утворюють групу взаємно пересічних під прямим кутом елементів. В початковому стані, що відповідає логічному нулю, нанотрубки не стикаються між собою і відстань між ними складає декілька нанометрів. Проте прикладена до них різниця потенціалів приводить до їх зіткнення, і знаходяться вони в такому положенні до тих пір, поки на них не подадуть протилежну напругу. За рахунок того, що в двох протилежних станах ці елементи мають різний електричний опір, можливо створення інтерпретатора двійкової системи числення. Причому, за словами фахівців, з метою досягнення надмірності і запобігання втрати даних в одному біті бере участь значна кількість таких пар. Про перспективи технології NRAM говорять такі дані: щільність запису інформації в пристроях NRAM може досягати 5 млрд біт на квадратний сантиметр (що в декілька десятків разів більше, ніж в нинішніх високоємних мікросхемах пам'яті), а частота обміну даними може складати 2 ГГц.

Крім цього, створені і випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, що працюють на матриці з нанотрубок.

Розглянемо вуглецеву нанотрубку, закріплену на катоді і орієнтовану у напрямку анода. Якщо на електроди подати напругу відповідної полярності, нанотрубка заряджається негативно, лінії електричного поля поблизу зарядженої нанотрубки викривляються і в околиці вістря нанотрубки напруженість поля стає величезною, причому тим більше, чим тонша нанотрубка. Таке локальне поле може виривати електрони з нанотрубки. Під дією зовнішнього поля електрони формуються в пучок. Така автоелектронна емісія, крім дисплеїв, використовується для створення випрямлячів.

Щоб за допомогою автоелектронної емісії отримати зображення, на аноді закріплюють люмінофор. Електронний удар збуджує молекули люмінофора, які потім переходять в основний стан, випромінюючи фотони. Наприклад, при використанні як люмінофора сульфіду цинку з добавками міді та алюмінію спостерігається зелене свічення, а при додаванні срібла - синє. Червоний колір отримують за допомогою легованого європієм оксиду ітрію. При цьому зерно зображення буде дуже малим: порядку мікрона.

Сфери, способи та можливості застосування нанотрубок численні і широкі. Навіть беручи до уваги те, що більша частина результатів останніх дослідів може бути невідома громадськості, вже зараз можна передбачити, що нанотрубки із часом стануть універсальним матеріалом для побудови багатьох об’єктів. Застосування нанотрубок можна розділити на кілька категорій за їх властивостями:

1) фізичні, наприклад, присадка до композитних матеріалів, що дозволяє створити із звичайного полімеру об’єкт із більшою міцністю і витривалістю, ніж із легованих сталей. Завдяки капілярним властивостям нанотрубок нині створюють ємкості для водню, що дозволяє у десятки разів збільшити їх об’ємну ємність;

2) фізико-хімічні – тут відкривається цілий пласт невідомих реакцій та процесів, із часом нанотрубки стануть основним структурним елементом в електроніці та техніці.