1985 року американсько-англійській команді дослідників удалося заглянути за межі наноcвіту*. У вересні саме цього року була відкрита нова алотропна форма вуглецю — фулерен. Діаметр однієї зі стійких модифікацій цієї речовини — фулерену С60 (енергетично нейтральної частинки, що складається з 60 атомів вуглецю і має форму футбольного м’яча) становить 0,7 нанометра. Фулерени формуються шляхом конденсації атомів вуглецю, які утворюються при випаровуванні графіту.
Дослідницький бум у царині знань про фулерени й вуглецеві наноструктури дозволив створити нову наукову галузь — фулеренознавство (хімія і фізика фулеренів). Велике зацікавлення у вчених викликає особливість, що грунтується на специфіці будови фулеренів. Завершеність елементарної структурної одиниці на відміну від нескінченних кластерів атомів у карбіті, графіті та алмазі обумовлює унікальну здатність фулеренів добре розчинятися в органічних розчинниках. Це єдина розчинна алотропна форма вуглецю. Наявність у молекулі фулерену великої кількості атомів вуглецю дозволяє синтезувати безліч сполук із новими властивостями.
Є технологічні прийоми, за допомогою яких «м’ячі» можна витягати в трубки, зовнішній діаметр яких становить 0,7 нанометра, а внутрішній — 0,5 нанометра. Тобто на одному квадратному міліметрі поміститься понад мільйон таких «трубок».
Їх уже навчилися заповнювати різноманітними речовинами та елементами, досліджуються можливості їх застосування в різноманітних галузях людської діяльності. «Трубки» досить тверді й жорсткі, міцні, тепло- і електропровідні. Професор Річард Смоллі, один із відкривачів фулеренів, вважає, що волокна з таких трубок будуть міцнішими за сталь, їх можна буде використовувати для створення кабелів для космічних цілей чи для заміни всіх ліній електропередач у світі.
В Україні налагоджене виробництво фулеренів і нанотрубок
У травні 2000 року було прийняте рішення налагодити виробництво фулеренів і нанотрубок у лабораторних кількостях у лабораторії «Дослідження процесів і систем водневого та сонцеводневого перетворення енергії» Інституту проблем матеріалознавства НАН України. У реалізації цього завдання допомогла фірма «Сек’юріті Ентерпрайз» на чолі з її директором І.Бугаковим.
Сьогодні ми можемо отримувати фулерени й нанотрубки і проводити дослідження механізмів їх утворення з метою здешевлення продукту. Ставши доступнішими, ці матеріали знайдуть ширше коло застосування. Зараз можемо поділитися своїми «скарбами» із будь-яким ученим, лабораторією, інститутом, що бажають розпочати дослідження фулеренів.
Наноматеріали
в електроніці
Трубки, крім інших достоїнств, мають хорошу провідність, та якщо їх згорнути чи зігнути під певним кутом, вони стають напівпровідниками. Таким чином, комбінуючи набір трубок, можна на нанорівні збирати різноманітні електричні ланцюги. І це вже буде не мікроелектроніка, а наноелектроніка, де на одному квадратному міліметрі можна помістити електричну схему з мільйоном функціональних елементів.
Нині тривають роботи зі створення плоских екранів (дисплеїв) із холодними катодами, де робочим тілом будуть вуглецеві нанотрубки, які мають високі емісійні властивості при незначних електричних полях. За габаритами й рівнем спожитої потужності такі монітори суттєво перевершуватимуть традиційні високовольтні кінескопи, а за яскравістю і кутом зору — дорогі дисплеї на рідких кристалах.
Учені багатьох країн інтенсивно досліджують властивості наноструктур, які складаються з атомів одного сорту, — вуглецю. Серед великого різноманіття таких структур знайшлося чимало наділених корисними властивостями, сьогодні їх уже використовують чи готують до широкого використання в майбутньому.
Нові джерела живлення
Якщо нанофункціональні схеми — мозок будь-якого комп’ютера чи приладу, то джерело живлення — його серце. Природно, що наносхеми вимагатимуть і малогабаритних джерел живлення досить високої ємності. Такими джерелами можуть стати металогідридні акумулятори електричного струму, в яких металогідридний електрод буде повністю чи частково замінений на композит на основі вищезгаданих нанотрубок чи вуглецевих нановолокон. Це дозволить уже сьогодні зменшити розміри джерела живлення в п’ять і більше разів.
Ємність металогідридного акумулятора визначається водневою ємністю негативного електрода, тобто що більше атомів водню здатний помістити в собі електрод, то більше електрики джерело зможе віддати в зовнішній ланцюг. Акумулятори, які пропонує сучасний ринок, мають у запасі до два масових відсотка водню від ваги електрода. У наукових повідомленнях на сьогодні воднева ємність вуглецевих матеріалів коливається від 10 до 67 масових відсотків, тобто набагато — від 5 до 33 разів — вища за водневу ємність в матеріалах на основі інтерметалевих сполук.
Електромобіль — мрія, до якої рукою подати?
Зараз у всьому світі кожна поважна автомобілебудівна фірма має власний аналог електромобіля. Є електромобілі й у нас в Україні: у Харкові, Києві, Львові та інших містах, де в кресленнях, а де й у вигляді пілотного зразка. Та робота над ними гальмується двома невирішеними проблемами. Перша — це величезна вага електроакумуляторів (до 500 кг), друга — прив’язаність до зовнішньої електромережі.
Новий матеріал допоможе зменшити вагу акумулятора в 10 разів (до 50 кг) і дозволить створити гібридний електромобіль. Цей мобіль приводитиметься в рух від електродвигуна, але заправлятиметься вуглеводневим паливом, таким, як бензин, чи іншим. Бортова система добуватиме з вуглеводню водень і запасатиме його, або ж він відразу надходитиме до паливного елемента, усередині якого, з’єднуючись із киснем повітря, даватиме електрику для живлення двигуна. ККД енерговикористання для такого мобіля буде удвічі вищим, ніж для бензинового двигуна (37% проти 18%).
Універсальний енергоносій
Новітні технології у сучасній енергетиці повинні відповідати найвищим вимогам. До них належать: якнайвища ефективність, збільшення питомої ваги чистої енергетики в загальному обсязі виробництва енергії та зменшення вартості утилізації вуглецю. Досягти поставлених цілей можна, застосовуючи в технологічному ланцюжку водень.
Він зданий бути як енергоносієм, так і паливом для транспорту, забезпечувати теплом промислове виробництво, обігрівати будинки за допомогою когенерації чи теплообмінних систем, використовуватися як паливо на електростанціях для централізованого і розподіленого генерування електроенергії. Причому розподілена мережа генерування електроенергії, максимально наближена до споживача, забезпечить мінімізацію витрат на технічні засоби передачі електроенергії та великі втрати в електромережах.
Перевагою водню є також його енергетична безпека, оскільки цей елемент можна отримати економічним способом із безлічі джерел — наприклад, з викопних палив і побічних продуктів різноманітних хімічних виробництв. Залежно від джерела, його виробництво може призводити чи не призводити до утворення і викидів двоокису вуглецю (СО2). Коли водень виробляється з вуглецевмісних джерел, СО2 утворюється у вигляді побічного продукту, який також можна використовувати.. На відміну від природних відновлюваних джерел, мінливих і, переважно, віддалених від центрів енергоспоживання, його легко накопичувати, зберігати і транспортувати трубопроводами безпосередньо туди, де він потрібен.
Найпривабливіші перспективи використання водню як енергоносія — при перетворенні енергії за допомогою паливних елементів, адже тоді розподіл і передача електроенергії можуть бути організовані ефективніше. Паливні елементи перетворять хімічну енергію на електричну без жодного процесу спалювання палива з єдиним побічним продуктом — водою. Працюючи на водні, паливні елементи не виділяють СО2, і, за розрахунками, системи на їх основі мають ККД удвічі вищий, ніж інші новітні технології з перетворення енергії. Разом з електроенергією паливні елементи виробляють тепло, яке можна використовувати безпосередньо для обігрівання та як додаткове тепло для виробництва електроенергії.
Воднева енергетична система дозволить поступово перейти від органічних (що стрімко вичерпуються) викопних палив до неорганічних вихідних енергоресурсів зі значним (регульованим) зниженням викидів СО2 та інших шкідливих домішок чи до практично необмежених відновлюваних джерел енергії (сонячне випромінювання чи енергія вітру).
У перспективі комерційний успіх водневої енергетики гарантований помірною вартістю передачі потужності, що стане вирішальним чинником в альтернативній стратегії виробництва енергії.
У такому широко використовуваному понятті, як стійкий розвиток, зокрема в енергетиці, водень не має реальних конкурентів, оскільки майбутнє належить особливій енергетиці: високоефективній, економічно привабливій, екологічно чистій. Дотримання цих умов — єдина можливість зберегти життя на планеті Земля.
Перспективи, про які нещодавно не можна було й мріяти
Перспективи використання вуглецевих наноматеріалів надзвичайно багатообіцяючі. Особливо цікаві водорозчинні похідні фулеренів, застосування яких у біології та медицині може мати воістину революційні наслідки.
Результати останніх досліджень властивостей вуглецевих наноматеріалів дозволяють з оптимізмом дивитися в майбутнє. І, мабуть, у XXI столітті дослідники й розробники фулереноподібних матеріалів зможуть здійснити технологічний прорив у багатьох галузях науки та техніки.
Наносвіт — процес еволюції і розширення сфер пізнання від простих і реально відчутних форм і розмірів — дека (101) — до великих і надвеликих, з одного боку, — гекто (102), кіло (103), міріа (104), мега (106), гіга (109), тера (1012), пета (1015), екса (1018) — і до малих і надмалих, з іншого — деци (10-1), санти (10-2), мілі (10-3), мікро (10-6), нано (10-9), піко (10-12), фемто (10-15), атто (10-18).