В 1985 году американо-английской команде исследователей удалось заглянуть за границы наномира*. В сентябре того года была открыта новая аллотропная форма углерода — фуллерен. Диаметр одной из устойчивых модификаций этого вещества — фуллерена С60 (энергетически нейтральной частицы, состоящей из 60 атомов углерода и имеющей форму футбольного мяча) составляет 0,7 нанометра. Фуллерены формируются путем конденсации атомов углерода, образующихся при испарении графита.
Исследовательский бум в области знаний о фуллеренах и углеродных наноструктурах позволил создать новую научную дисциплину — фуллереноведение (химия и физика фуллеренов). Значительный интерес у ученых вызывает особенность, обусловленная спецификой строения фуллеренов. Завершенность элементарной структурной единицы по сравнению с бесконечными кластерами атомов в карбиде, графите и алмазе, обусловливает уникальную способность фуллеренов хорошо растворяться в органических растворителях. Это единственная растворимая аллотропная форма углерода. Благодаря наличию у молекулы фуллерена большого количества атомов углерода, открываются неограниченные возможности синтеза множества соединений с новыми свойствами, а значит, и новыми возможностями.
Имеются технологические приемы, с помощью которых «мячи» можно вытягивать в трубки. Внешний диаметр их составляет 0,7 нанометра, а внутренний — 0,5 нанометра. То есть в одном миллиметре можно уложить одну около другой больше миллиона трубок.
Уже научились заполнять такие трубки различными веществами и элементами, начинают изучать их свойства и пытаются использовать в различных областях человеческой деятельности. Они обладают значительной твердостью и жесткостью, высокой прочностью, тепло- и электропроводностью. Профессор Ричард Смолли, один из открывателей фуллеренов, считает, что волокна, созданные из таких трубок, будут прочнее стали, смогут обеспечить кабели для космических целей или заменить все линии электропередач в мире.
В Украине налажено производство фуллеренов
и нанотрубок
В мае 2000 года было принято решение наладить производство фуллеренов и нанотрубок в лабораторных количествах в лаборатории «Исследования процессов и систем водородного и солнечноводородного преобразования энергии» Института проблем материаловедения НАН Украины. В реализации этой задачи большую помощь оказала фирма «Секьюрити Ентерпрайз» во главе с ее директором И.Бугаковым.
В настоящее время мы можем получать фуллерены и нанотрубки и проводить исследования механизмов их образования с целью удешевления продукта. Чем более доступными будут эти материалы, тем более широкий спектр областей применения они найдут. Сейчас можем поделиться своими «сокровищами» с любым ученым, лабораторией, институтом, желающими начать исследования фуллеренов.
Наноматериалы
в электронике
Трубки, кроме других достоинств, обладают хорошей проводимостью, но если их свернуть или согнуть под определенным углом, они становятся полупроводниками. Таким образом, комбинируя набор трубок, можно на наноуровне собирать различные электрические цепи. И это уже будет не микроэлектроника, а наноэлектроника, где на площади в один миллиметр можно поместить электрическую схему с миллионом функциональных элементов.
В настоящее время продолжаются работы по созданию плоских экранов (дисплеев) с холодными катодами, где в качестве рабочего тела рассматриваются углеродные нанотрубки, обладающие высокими эммиссионными свойствами при незначительных электрических полях. По габаритам и уровню потребляемой мощности такие мониторы будут существенно превосходить традиционные высоковольтные кинескопы, а по яркости свечения и углу зрения — дорогие дисплеи на жидких кристаллах.
Ученые многих стран интенсивно исследуют свойства наноструктур, состоящих из атомов одного сорта, — углерода. Среди их большого многообразия существуют такие, благодаря свойствам которых они уже используются или будут широко использоваться в будущем.
Новые источники питания
Если нанофункциональные схемы — мозг любого компьютера или прибора, то источник питания — его сердце. Естественно, что наносхемы будут требовать и малогабаритных источников питания достаточно высокой емкости. Такими источниками могут стать металлогидридные аккумуляторы электрического тока, в которых металлогидридный электрод будет полностью или частично заменен композитом на основе выше упомянутых нанотрубок или углеродных нановолокон. Это позволит уже сегодня уменьшить размеры источника питания в пять и более раз.
Емкость металлогидридного аккумулятора определяется водородной емкостью отрицательного электрода, т. е. чем больше атомов водорода способен поместить в себе электрод, тем больше электричества источник сможет отдать во внешнюю цепь. Существующие на современном рынке аккумуляторы способны запасти до двух массовых процентов водорода от веса электрода. В научных сообщениях на сегодняшний день водородная емкость углеродных материалов колеблется от 10 до 67 массовых процентов, что, как видим, от 5 до 33 раз выше таковой у материалов на основе интерметаллических соединений.
Электромобиль — мечта, до которой рукой подать?
В настоящее время во всем мире все уважающие себя автомобилестроительные фирмы имеют свой аналог электромобиля. Имеются электромобили и у нас в Украине: в Харькове, Киеве, Львове и других городах, где в чертежах, а где и в виде пилотного образца. И все эти работы упираются в две неразрешенные проблемы. Первая — это огромный вес электроаккумуляторов (до 500 кг), вторая — привязанность к внешней электросети.
Новый материал может дать возможность уменьшить вес аккумулятора в 10 раз (до 50 кг) и позволит создать гибридный электромобиль. Этот мобиль будет приводиться в движение от электродвигателя, но заправляться будут углеводородным топливом, подобным бензину или другим. С помощью бортовой системы из углеводорода получится водород. Он будет запасаться на борту или сразу поступать в топливный элемент, внутри которого, соединяясь с кислородом воздуха, давать электричество для питания двигателя. КПД энергоиспользования для такого мобиля будут в два раза выше, чем для бензинового двигателя (37% против 18%).
Универсальный энергоноситель
К новым технологиям в современной энергетике предъявляются высочайшие требования. К ним относятся: обеспечение значительного выигрыша в эффективности, увеличение удельного веса чистой энергетики в общем объеме производства энергии и уменьшение стоимости утилизации углерода. Достичь поставленных целей возможно, если в технологической цепочке использовать водород.
Последний может служить как энергоносителем, так и топливом для транспорта, обеспечивать теплом промышленное производство, обогревать дома с помощью когенерации или теплообменных систем, служить топливом на электростанциях как для централизованного, так и распределенного генерирования электроэнергии. Причем распределенная сеть генерирования электроэнергии, максимально приближенная к потребителю, обеспечит минимизацию затрат на технические средства передачи электроэнергии и большие потери в электросетях.
К преимуществам водорода относится также то, что он реально способен обеспечить энергетическую безопасность, так как может быть получен экономичным способом из множества источников. Его можно накапливать и запасать, тем самым устраняя естественный недостаток возобновляемых источников, связанный с их переменчивостью. Кроме того, водород как энергоноситель может транспортироваться по трубопроводам непосредственно к месту энергопотребления, в отличие от возобновляемых источников, зачастую удаленных от центров энергопотребления.
Водород — энергоноситель, который можно вырабатывать из ископаемых топлив и побочных продуктов различных химических производств. В зависимости от источника его производство может приводить или не приводить к образованию и выбросам двуокиси углерода (СО2). Когда водород производится из углеродсодержащих источников, СО2 получается в виде побочного продукта, который также можно использовать.
Наиболее привлекательны перспективы использования водорода в качестве энергоносителя при преобразовании энергии с помощью топливных элементов, при этом распределение и передача электроэнергии могут быть организованы более эффективно. Топливные элементы преобразуют химическую энергию в электрическую без какого бы то ни было процесса сжигания топлива с единственным побочным продуктом — водой. Работая на водороде, топливные элементы не выделяют СО2, и по расчетам системы на их основе имеют КПД в два раза выше, чем другие новейшие технологии по преобразованию энергии. Вместе с электроэнергией топливные элементы производят тепло, которое можно использовать непосредственно для обогрева и как дополнительное тепло для производства электроэнергии.
Водородная энергетическая система позволит постепенно перейти от органических (стремительно тающих) ископаемых топлив к неорганическим исходным энергоресурсам при значительном (регулируемом) снижении выбросов СО2 и других вредных примесей или к практически неограниченным возобновляемым источникам энергии (солнечное излучение либо энергия ветра).
В перспективе коммерческий успех водородной энергетики гарантирован умеренной стоимостью передачи мощности, что станет решающим фактором в альтернативной стратегии производства энергии.
В таком широко используемом понятии, как устойчивое развитие, в частности в энергетике, водороду нет реальных альтернатив, так как будущее принадлежит особой энергетике: высокоэффективной, экономически привлекательной, экологически чистой. Выполнение таких условий — единственная возможность реально обеспечить устойчивость нашей жизни на планете Земля.
Перспективы,
о которых недавно нельзя было и мечтать
Перспективы использования углеродных наноматериалов чрезвычайно многообещающи. Особенно интересны водорастворимые производные фуллеренов, применение которых в биологии и медицине может привести к поистине революционным последствиям.
Результаты последних исследований свойств углеродных наноматериалов позволяют с оптимизмом смотреть в будущее. И, вероятно, станет реальностью тот факт, что в XXI веке исследователи и разработчики фуллереноподобных материалов смогут обеспечить технологический прорыв во многих областях науки и техники.
Наномир — процесс эволюции и расширения сфер познания от простых и реально ощутимых форм и размеров: дека (101) до больших и сверхбольших, с одной стороны, — гекто (102), кило (103), мириа (104), мега (106), гига (109), тера (1012), пета (1015), экса (1018) и до малых и сверхмалых, с другой — деци (10-1), санти (10-2), милли (10-3), микро (10-6), нано (10-9), пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18).