Углерод из воздуха
В Канаде тестируют новую технологию удаления углекислого газа из атмосферы. Система Carbon Engineering создана для очистки воздуха в любом уголке земли, независимо от близости источников загрязнения. Насколько эффективен такой подход? И сколько нужно установок, чтобы остановить глобальное потепление?
На сегодня в мире насчитывается всего около 20 установок, которые улавливают углекислый газ (CO2) в промышленных масштабах. И все они расположены непосредственно на выходе из дымовых труб предприятий. Пока это, конечно, капля в море, но с развитием отрасли количество таких фильтрующих систем будет увеличиваться. А вот что делать с углеродом, который уже вырвался наружу? На сегодня концентрация CO2 в атмосфере составляет 0,04%, и этот показатель растет. Глобальные выбросы углекислого газа достигли 36 гигатонн в год, а средняя мировая температура повысилась уже на 1 ° С. Напомним, согласно Парижскому соглашению по климату, мировое сообщество должно сделать все возможное, чтобы удержать потепление в пределах 1,5 ° С до конца 21 века.
В противном случае планете грозят катастрофические последствия: затопление городов, вымирание видов, засуха и другие природные катаклизмы.
Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) предупредила, что для достижения поставленных целей перехода к углеродно-нейтральному обществу уже недостаточно, надо срочно внедрять технологии прямого улавливания CO2 из воздуха.
«Текущие модели предполагают, что нам нужно будет удалять 10 гигатонн CO2 в год к 2050 году, а к концу века это количество должно удвоиться до 20 гигатонн. Прямо сейчас мы практически ничего не удаляем. Поэтому придется масштабироваться с нуля», — говорит Джейн Зеликова, известный ученый-климатолог из Университета Вайоминга.
Пилотный завод Carbon Engineering в Британской Колумбии
Одна из первых в мире промышленных установок для прямого улавливания CO2 из воздуха появилась в городе Сквамиш Британской Колумбии (Канада). Это ноу-хау компании Carbon Engineering. Система мощных вентиляторов засасывает воздух и прогоняет его через фильтр, залитый гидроксидом калия. Углекислый газ поглощается этим раствором, попадает во вторую камеру и смешивается с гидроксидом кальция (строительная известь). Известь удерживает растворенный CO2, образуя небольшие чешуйки известняка. Эти частицы отсеиваются и нагреваются в третьей камере до тех пор, пока не разложатся с выделением чистого углекислого газа, который улавливается и отправляется на хранение.
Схема улавливания CO2 на заводе Carbon Engineering
Завод в Сквамише создан как испытательный стенд для тестирования различных технологических процессов. В ближайшее время компания приступит к строительству гораздо более крупного завода на нефтяных месторождениях западного Техаса, который будет ежегодно улавливать 1 миллион тонн CO2. Для сравнения, столько же поглощают 40 миллионов деревьев.
«Как только первый завод готов, это как модель формочки для печенья. Дальше вы просто создаете точные копии этого предприятия в любом месте», — говорит исполнительный директор Carbon Engineering Стив Олдхэм. Тем не менее он признает, что масштаб предстоящей задачи головокружителен. «Нам нужно вывести из атмосферы 800 гигатонн CO2. И это не произойдет в одночасье», — предупредил Олдхэм.
В компании утверждают, что их технология достаточно бюджетна: сбор одной тонны CO2 обходится примерно в 100 долларов США. При этом заводы работают на возобновляемой энергии или природном газе и не производят никаких собственных выбросов.
Проект завода Carbon Engineering в западном Техасе
Еще один завод по улавливанию и хранению углекислого газа строится в геотермальном парке Hellisheidi в Исландии. Он будет работать на возобновляемой энергии, а собранный газ закачивать в собственное подземное хранилище. Предприятие сможет фильтровать до 4-х миллионов тонн CO2 ежегодно и станет крупнейшим в мире объектом, способствующим улучшению климата. Запуск намечен на лето 2021 года.
Строительство завода Orca, геотермальный парк Hellisheidi, Исландия, март 2021 г
Правда, есть у этой технологии и недостатки. Чтобы успевать фильтровать все 36 гигатонн CO2 в год, нужно около 30 000 заводов, то есть более трех на каждую угольную электростанцию, работающую сегодня в мире. Каждый завод обойдется в 500 млн долларов, а общая стоимость строительства составит почти 15 трлн долларов. Для сравнения годовой бюджет США на 2021 год — 4,8 трлн долларов. К тому же для бесперебойной работы систем потребуется около 14 млн тонн гидроксида калия, что в 5,4 раз превышает годовые поставки этого вещества во всем мире.
Одним словом, деньги потребуются немалые. Но зато в результате прямого улавливания воздуха можно получить ценный продукт — тысячи тонн сжатого CO2. Одним из крупнейших его потребителей является сектор добычи природных ископаемых. В частности, нефтяная отрасль. Углекислый газ закачивается под землю и создает нужное давление, повышая нефтеотдачу. Также отфильтрованный газ можно комбинировать с водородом и получать синтетическое углеродно-нейтральное топливо.
Еще одна перспективная сфера применения — улучшение роста овощей и зелени. Яркий пример — известная голландская компания по переработке отходов в энергию AVR, которая недавно модернизировала один из своих заводов в Дэйвене, установив специальное оборудование для улавливания CO2 из выбросов. Углекислый газ сжимается до жидкого состояния и цистернами отправляется в ближайшую теплицу. Раньше для этих целей приходилось сжигать природный газ. За месяц объемы выбросов парниковых газов удалось сократить на 7,5 тысяч тонн.
Цистерна с жидким CO2 едет с завода AVR Duiven в теплицу
Альтернативой «прямому захвату» газа могло бы стать восстановление торфяников или высадка лесов, которые, как известно, поглощают углекислый газ. Но это весьма длительный процесс, к тому же требующий огромных земельных участков, по некоторым оценкам, размером с Соединенные Штаты. При этом эффект от высадки растений недолговечен, поскольку они рано или поздно погибают, высвобождая накопленный углерод. Единственный вариант — их вовремя вырубать и утилизировать в закрытых системах.
Интересный проект недавно представил ученый из Аризонского университета Клаус Лакнер. Он изобрел «механическое дерево», которое чистит воздух от CO2 подобно своим живым аналогам. Фильтруя потоки ветра, оно улавливает молекулы углерода и отправляет в специальное хранилище. И все происходит без механического всасывания воздуха, а значит без энергоемких устройств. По словам разработчика, это наиболее дешевый способ улавливания CO2 — менее $100 за тонну. Стартап уже нашел инвестора, и в ближайшее время на просторах Аризоны «вырастут» 1200 новых «деревьев». Они смогут улавливать 36 000 тонн углекислого газа в год, что соответствует выбросам почти 8 000 автомобилей.
«Механическое дерево» Клауса Лакнера
К делу глобальной декарбонизации планеты уже подключились крупнейшие корпорации. Microsoft , United Airlines и ExxonMobil инвестировали в эту область миллиарды долларов. 100 миллионов долларов пообещал выделить Илон Маск. А созданный в конце 2020 года Инновационный фонд ЕС направит на проекты, связанные в том числе с улавливанием и хранением углерода, 1 млрд евро. Сейчас идет конкурс заявок.
Кстати, в шорт-лист уже попали два амбициозных проекта в сфере waste-to-energy — Fortum Oslo Varme в Норвегии и Amager Bakke в Дании. Оба завода по переработке отходов в энергию намерены свести свой углеродный след практически к нулю. И если финансирование будет одобрено, новые установки снизят выбросы CO2 в общей сложности на 900 000 тонн ежегодно. А Копенгаген сделает важнейший шаг к амбициозной цели — стать первой столицей в мире с нулевым выбросом углерода.
Что такое улавливание углерода и может ли оно сделать авиатранспорт более экологичным
Американская авиакомпания United Airlines недавно заявила, что планирует достичь нулевого уровня выбросов углекислого газа к 2050 году. Звучит амбициозно, но как она собирается это сделать? С помощью технологии прямого улавливания CO2 из воздуха. О том, что из себя представляет эта технология и какие меры могут принять туристические агентства и сами путешественники, чтобы остановить глобальное потепление, рассказывает National Geographic.
Ежегодно вследствие деятельности человека выделяется более 44 миллиардов тонн двуокиси углерода. По результатам исследования, опубликованным в 2018 году в журнале Nature Climate Change, на долю туризма, и в первую очередь авиаперелетов, приходится 8% годовых выбросов.
Во время пандемии мы стали свидетелями того, как замедление глобальной экономики, основанной на ископаемом топливе, положительно отразилось на окружающей среде. Это стало откровением для многих туристов и заставило их задуматься о том, как уменьшить свой углеродный след.
Традиционные методы углеродной компенсации хороши, но их эффективность трудно оценить. Куда более надежное решение — захватывание углерода из атмосферы и его хранение в земле. До сих пор эта технология применялась лишь в научной сфере, но благодаря новым инициативам внести свой вклад в борьбу с глобальным потеплением смогут также представители туристической индустрии и даже сами путешественники.
Как работает технология прямого захвата углерода из воздуха
Швейцарская компания Climeworks разработала проект установок для улавливания CO2. Модульные машины Climeworks при помощи вентиляторов втягивают воздух в коллектор, в котором углерод захватывается фильтром из органических соединений. Когда фильтр заполняется, коллектор закрывается и нагревается до 100 °C, в результате чего высвобождается чистая двуокись углерода.
На принадлежащей Climeworks геоТЭС Хедлисхейди в Исландии углерод соединяется с водой и закачивается под землю. Там он вступает в реакцию с базальтовыми породами и в течение нескольких лет превращается в камень.
Работы на геотермальной станции Хедлисхейди были проведены совместно с компанией CarbFix, специализирующейся на «минерализации» углекислого газа.
Системы захвата углерода из воздуха Climeworks питаются от возобновляемых источников энергии: в Хедлисхейди — от геотермальной электростанции; в Хинвиле (Швейцария) — от мусоросжигательного завода. Другие проекты по захвату углерода в мире, в том числе Carbon Engineering в Канаде и Global Thermostat в США, также используют зеленую энергию.
Искусственный лес
Завод по выкачиванию углекислого газа — это своего рода суперлес.
Настоящие леса поглощают углерод, но большинство специалистов сходятся в том, что этот процесс слишком медленный и леса не в состоянии справиться с нынешними объемами выбросов.
Дженнифер Уилкокс, эксперт по энергетической политике из Пенсильванского университета, сотрудница Министерства энергетики США:
«Биосфера земли и океан, вместе взятые, нейтрализуют лишь половину углекислого газа, выделяемого в атмосферу каждый год. Мы должны ускорить этот процесс».
Недавнее исследование показало, что ледники тают стремительными темпами, а это может означать наихудший сценарий из описанных Межправительственной группой экспертов по изменению климата в 2018 году. Мы должны ускорить удаление углекислого газа из атмосферы, но и при этом не навредить мировому океану (поглощение двуокиси углерода ведет к закислению океана) и почве.
Дженнифер Уилкокс:
«Завод по прямому захвату углерода из воздуха в сто раз эффективнее леса. Земля — ограниченный ресурс. Преимущество улавливания углерода в том, что для этого не нужно использовать пахотные земли».
Каждый коллектор на заводах Climeworks захватывает количество углекислого газа, сопоставимое с тем, что поглощают 2000 деревьев. Кроме того, благодаря тому, что концентрация углекислого газа везде одинаковая, эти заводы могут находиться в любой точке мира.
Что делают авиакомпании
Чтобы реализовать свой план по захвату углерода, United Airlines планирует совместно с 1PointFive построить в Техасе крупный завод, который будет «высасывать» из атмосферы миллион тонн углекислого газа в год.
Проекты по улавливанию углерода хороши еще тем, что позволяют перерабатывать его и использовать в качестве сырья. Например, углекислый газ с завода в Хинвиле используется для подкормки парниковых растений и газирования минеральной воды.
Дэвид Голдберг из Института Земли Колумбийского университета:
«Бизнес-модель, предполагающая дальнейшую продажу углекислого газа, способствует развитию зеленых технологий».
В сочетании с водородом, полученным из возобновляемых источников энергии, захваченный углерод можно использовать и для создания экологически чистого авиатоплива. Такое топливо, например, производит Norsk e-Fuel.
Хоть в этом случае углекислый газ и не удаляется из атмосферы навсегда, этот способ позволяет создать экономику замкнутого цикла, а также рынок по захвату углерода, что может в будущем помочь изменить ситуацию к лучшему.
Что могут сделать путешественники
Объединение путешественников Tomorrow’s Air, сотрудничающее с Climeworks, планирует привлечь к решению этой экологической проблемы туристов. Пассажиры смогут компенсировать выбросы, делая ежемесячные взносы на улавливание углерода, и одновременно получать специальные предложения от компаний-партнеров. В рамках инициатив Artists for Air и Airbnb Climeworks tours люди могут узнать, как технология захвата углерода помогает бороться с изменением климата.
Кристина Бекманн, основательница Tomorrow’s Air:
«Теперь путешественники могут тоже вступить в борьбу с изменением климата. Мы должны сделать всё, что в наших силах, чтобы сократить выбросы. Пришло время задуматься о постоянном хранении углерода».
Туристы видят последствия изменения климата и ищут способы исправить ситуацию. «Последние два лета были самыми теплыми в истории. В Гренландии ледники тают на глазах», — говорит Люкке Гайслер-Якабойлу, основательница компании Sila Greenland, занимающейся продвижением туризма в Гренландии. Гайслер-Якабойлу недавно присоединилась к Tomorrow’s Air и планирует включить углеродную компенсацию в стоимость предлагаемых ее компанией туров.
Традиционные методы компенсации вроде посадки деревьев, конечно, действенны, но прямой захват углерода позволяет получить мгновенный эффект. «Чтобы извлечь пользу из посаженного дерева, нужно ждать 50 лет, но выбросы происходят сегодня», — говорит Голдберг.
Лесовосстановление также осложняется участившимися по всему миру лесными пожарами, которые ведут к тому, что удаленный углерод возвращается обратно в атмосферу. «Сокращение выбросов, а также захват и хранение оставшегося CO2 помогут существенно улучшить ситуацию», — добавляет Голдберг.
Читайте также
Как реализовать потенциал технологии
Проинформированные о преимуществах удаления углерода путешественники будут подходить к своим поездкам более ответственно.
«Во всех наших турах заложена углеродная компенсация. Мы сотрудничаем с разными проектами, в том числе с Climeworks, — говорит основатель The Explorer’s Passage Джефф Бональди. — Туристы знают, куда идут их деньги, и благодаря этому начинают воспринимать свои поездки как нечто большее, чем просто приключение. Они понимают, что помогают планете».
Рост спроса на углеродные компенсации со стороны потребителей и корпораций также может помочь снизить стоимость технологии, которая по-прежнему очень высока. Microsoft недавно заявила о планах достичь отрицательного уровня выбросов CO2 к 2030 году с помощью систем захвата и хранения углерода.
«Одной технологии недостаточно. Правительства также должны поддерживать подобные проекты», — считает Уилкокс.
План Джо Байдена по достижению углеродной нейтральности к 2050 году подразумевает налоговые стимулы и федеральные инвестиции в улавливание углерода.
У технологии прямого захвата углерода большой потенциал в борьбе с изменением климата и создании экологичного транспорта. Но это ни в коем случае не панацея. Технология должна применяться в сочетании с другими методами сокращения выбросов, предупреждают специалисты.
«Нам придется делать и то и другое: как можно быстрее развивать технологию прямого захвата углерода и сокращать выбросы. У нас нет выбора», — говорит Голдберг.
Семь обличий углерода
Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.
Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.
Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.
Графит
Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.
Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.
Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.
Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.
Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.
Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.
И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.
Алмаз
Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.
Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).
Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.
Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».
Графен
Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.
Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.
Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.
Углеродные нанотрубки
Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.
Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.
Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.
Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.
Карбин
Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.
Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.
Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.
Фуллерены
Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.
В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C60, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.
Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства.
В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K3C60). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина, Cs2RbC60. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.
Q-углерод
Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp 2 -гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.
В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.
Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.
Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.
Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.
N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?
Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.
В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp 1 -гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp 1 -углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.
Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.
Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.
Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?
Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.
С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.
Много ли материалов можно предсказать такими способами?
Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.
Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.
Графит карандашный. Применение карандашного грифеля
Графит карандашный ГК от производителя из наличия со склада, оперативная доставка по России и СНГ, онлайн-заказ. Скидки на графит ГК постоянным закупщикам.
- Углерод — не менее 94%
- Зола — не более 5%
- Летучие — не более 1%
- Влажность — не более 1%
- Средний размер частиц 90%(40mkm), 50%(15mkm), 10%(6mkm)
Графит – самородный минерал, модификация углерода со слоистой структурой. Мягкий с низкой твердостью, жирный на ощупь.
Ряд уникальных свойств графита находит его широчайшее применение: изготовление электродов, смазочных материалов, наполнитель пластмасс, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах. Графит также используют в производстве алюминия, синтетических алмазов, в тепловой защите боеголовок баллистических ракет и космических аппаратов. В смеси с каолином (белой глиной) из графита изготавливают грифели для карандашей.
Карандашный графит ГК – малозольный, измельченный минерал с летучими веществами кристаллической структуры, без жестких примесей. Так как этот материал способен оставлять четкую черту на поверхности, его используют как черный стержень в карандаше (отсюда и название).
Применение карандашного грифеля
Для канцелярского использования изготавливают грифели разной мягкости. Достигается это за счет изменения размеров частиц. Помимо карандашных грифелей изготавливают чернильные путем добавления клеевой основы в графит ГК. Для покрытия больших плоскостей выпускают графитовые палочки – бруски.
Основные характеристики карандашного графита
- термостойкость;
- повышенная прочность;
- устойчивость к механическим воздействиям;
- устойчивость к гидравлическим воздействиям;
- устойчивость к коррозии.
Маркировка графита карандашного (по нормативам ГОСТ 4404-78):