Графеновые нанотрубки что это и для чего

Графеновые нанотрубки что это и для чего

Наноструктуры можно собирать не только из отдельных атомов или одиночных молекул, но молекулярных блоков. Такими блоками или элементами для создания наноструктур являются графен, углеродные нанотрубки и фуллерены.

Графен

Графен – это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту (рис. 21). Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.

Рисунок 21. Схематическое изображение графена. Светлые шарики – атомы углерода, а стержни между ними – связи, удерживающие атомы в листе графена.

Графит, из чего сделаны грифеля обычных карандашей, представляет собой стопку листов графена (рис. 22). Графены в графите очень плохо связаны между собой и могут скользить друг относительно друга. Поэтому, если провести графитом по бумаге, то соприкасающийся с ней лист графена отделяется от графита и остаётся на бумаге. Это и объясняет, почему графитом можно писать.

Рисунок 22. Схематическое изображение трёх листов графена, находящихся друг над другом в графите.

Углеродные нанотрубки

Многие перспективные направления в нанотехнологиях связывают с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки – это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода. Углеродную нанотрубку легко себе представить, если вообразить, что вы сворачиваете в трубку один из молекулярных слоёв графита – графен (рис. 23).

Рисунок 23. Один из способов воображаемого изготовления нанотрубки (справа) из молекулярного слоя графита (слева).

Способ сворачивания нанотрубок – угол между направлением оси нанотрубки по отношению к осям симметрии графена (угол закручивания) – во многом определяет её свойства.

Конечно, никто не изготовляет нанотрубки, сворачивая их из графитового листа. Нанотрубки образуются сами, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углероды испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют нанотрубки самого различного вида – однослойные, многослойные и с разными углами закручивания (рис. 24).

Рисунок 24. Слева – схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки; справа (сверху вниз) – двухслойная, прямая и спиральная нанотрубки.

Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1 нм, а их длина в тысячи раз больше, составляя около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода. В зависимости от угла закручивания нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников.

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах (рис. 22). А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нанотрубки можно применять в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей, ведь модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Поэтому нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок обычно составляет около сотни микронов — что, конечно, слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается — сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры!

Фуллерены

Атомы углерода, испарившиеся с разогретой поверхности графита, соединяясь друг с другом, могут образовывать не только нанотрубки, но и другие молекулы, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, например, в виде сферы или эллипсоида. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида.

Все эти молекулярные соединения атомов углерода названы фуллеренами по имени американского инженера, дизайнера и архитектора Р. Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники (рис. 25), являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

Молекулы самого симметричного и наиболее изученного фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода (C₆₀), образуют многогранник , состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (рис. 26). Диаметр фуллерена C₆₀, составляет около 1 нм.

Рисунок 26. Схематическое изображение фуллерена С ₆₀ .

За открытие фуллеренов американскому физику Р. Смоли, а также английским физикам Х. Крото и Р. Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия . Изображение фуллерена C₆₀ многие считают символом нанотехнологий.

Нанотрубки будущего: на чем зарабатывает первый русский «единорог»

Российская OCSiAl — мировой лидер в производстве графеновых нанотрубок. Последняя оценка компании — $1,5 млрд при выручке менее $15 млн. «РБК Инвестиции» разбирались в перспективах и рисках бизнеса для «единорога»

«Похоже, это первый « единорог » не только в «Роснано», но и вообще в реальном секторе (material based) в России», — писал у себя в Facebook Анатолий Чубайс в мае 2019 года вскоре после того, как входящий в инвестиционный портфель «Роснано» производитель графеновых нанотрубок OCSiAl получил оценку в $1 млрд. Такая оценка сформировалась после того, как 0,5% компании за $5 млн приобрела инвестиционная группа A&NN миллиардера Александра Мамута. Оценка в $1 млрд вызвала дискуссию, в которой участвовал и Чубайс. В качестве контраргументов тогдашнему главе «Роснано» указывали на то, что вывод об оценке компании делается на основе «единичной сделки на небольшую сумму с чисто российским инвестором». Впрочем, через несколько месяцев Чубайс заявил, что в декабре 2019-го у компании состоялся очередной раунд привлечения финансирования, в ходе которого ее оценка достигла уже $1,5 млрд. Рынок одностенных углеродных (или графеновых) нанотрубок значительно консолидирован, констатировала в 2019 году Transparency Market Research, причем более 90% на нем приходится на продукцию OCSiAl.

Сейчас основанная в 2010 году компания работает на рынках 40 стран, в ее штате — более 400 человек. Штаб-квартира OCSiAl находится в Люксембурге, ключевые офисы — в России, Китае, Европе и Америке. Основная часть продукции уходит на экспорт, из которого 85% приходится на азиатские страны, в первую очередь — на Китай, Японию и Корею.

Фото: OCSiAl

Графеновые (одностенные) нанотрубки — это свернутый в трубку слой графена толщиной в один атом углерода. Такие нанотрубки, обладающие повышенной электропроводностью и прочностью (выше стали), а также выдерживающие высокие температуры, добавляют в другие материалы, чтобы придать им новые свойства. Например, использование графеновых нанотрубок в литий-ионных батареях увеличивает срок службы аккумулятора в четыре раза. Добавление их в стекло, алюминий и ряд пластиков усиливает прочность изделий из них. Применение технологии при производстве текстиля для спецодежды придает материалам антистатические свойства, в силиконе с нанотрубками появляется проводимость и сохраняется цвет, в шинах улучшаются сцепление и износостойкость.

Фото: OCSiAl
Перспективы рынка

По прогнозам Transparency Market Research, глобальный рынок одностенных углеродных нанотрубок в ближайшие годы будет расти в среднем в полтора раза в год. В 2018 году его оценка была на уровне $130 млн, в 2027-м, по прогнозам, достигнет $5 млрд. Основную часть спроса на нем формируют производители электроники, полупроводников, компании из энергетической и биомедицинской отраслей. Азиатско-Тихоокеанский регион, по данным на 2018 год, занимал почти половину мирового рынка одностенных углеродных нанотрубок. Еще 40% приходилось на Европу. Среди крупных игроков, помимо OCSiAl — японские компании Meijo Nano Carbon, Zeon Nano Technology и британская Thomas Swan & Company. По мнению руководителя группы «Квантовая спинтроника и низкоразмерные материалы» Российского квантового центра Александра Чернова, помимо применения одностенных углеродных нанотрубок в качестве элементов электронных устройств, перспективным может быть их использование в оптических элементах для лазеров. В этой сфере рынок может быть меньше по объемам, но преимущества таких нанотрубок здесь более заметны, говорит он. В менее наукоемких направлениях, например применении в качестве добавок для упрочнения, создания проводящих или гидрофобных (не вступающих во взаимодействие с водой) покрытий, у нанотрубок есть конкуренты, говорит Чернов. Среди рисков для технологии углеродных нанотрубок эксперт называет включение их в список SIN (Substitute it Now! , «замените их сейчас») — базу данных химических веществ, которые могут быть юридически запрещены в соответствии с регламентом Евросоюза REACH, регулирующим производство и оборот химических веществ. Список ведет Международный химический секретариат (ChemSec). Однако международное научное сообщество раскритиковало внесение углеродных нанотрубок в этот список, так как их возможный запрет был бы необоснован с точки зрения науки и нанес бы ущерб развитию инноваций. Соответствующая статья за авторством 39 ученых опубликована в научном журнале Nature.

Фото: OCSiAl
Открытие из Академгородка

Открытие, благодаря которому можно в промышленных масштабах производить и использовать графеновые нанотрубки, сделал академик РАН Михаил Предтеченский. На основе его исследований компания может «выращивать» нанотрубки не в плоскости, а в объеме. Президент OCSiAl Юрий Коропачинский подчеркивает, что без этого открытия не было бы компании OCSiAl.

Основателями и ключевыми акционерами OCSiAl являются академик Михаил Предтеченский и бизнесмены Юрий Коропачинский, Олег Кириллов и Юрий Зельвенский. Как пояснил Юрий Коропачинский, одним из первых крупных частных инвесторов проекта стал основной акционер Экспобанка Игорь Ким. В сумме все пятеро владеют более 50% акций OCSiAl. Всего акционерами компании являются более 25 физических и юридических лиц. 17,5% принадлежит госкорпорации «Роснано», которая вложила в проект более $20 млн.

«Мы с партнерами искали идею, способную коренным образом изменить уклад жизни людей. С 2006 года мы проанализировали 360 проектов, потратив на это $2 млн. В декабре 2009 года Михаил Предтеченский предложил нам «начать с конца» — придумать уникальный, никем в мире не производимый продукт и на его основе построить глобальную компанию. Так родилась идея создания технологии синтеза графеновых нанотрубок, то есть «материала будущего», — вспоминает Коропачинский. Достижение компании OCSiAl в том, что она в 2014 году внедрила первую промышленную технологию синтеза графеновых нанотрубок — производство их в больших масштабах. Это сделало их использование экономические выгодным для различных производств.

Фото: OCSiAl

В 2013 году компания запустила первую промышленную установку синтеза нанотрубок в Академгородке Новосибирска. В 2014 году продукция компании под брендом TUBALL вышла на рынок. Главное производство и научно-исследовательская база компании, а также центр прототипирования материалов и технологий на базе графеновых нанотрубок находятся в Новосибирске. В 2019 году второй такой центр запущен в Шанхае. Третий открыт в Люксембурге в 2020 году. Как говорит Александр Чернов, OCSiAl действительно смогла заявить о себе: «В научных кругах было выполнено большое число работ на основе материала их производства, охват аудитории высокий, это известный производитель. Однако многие зарубежные работы (судя по научным статьям) по-прежнему выполняются на материалах других производителей».

Цель в $100 млрд через 10 лет

Совокупные производственные мощности OCSiAl на данный момент приближаются к 100 тоннам. Их хватит, чтобы изменить свойства более 100 тыс. тонн материалов для улучшения их качеств с учетом ультранизкой концентрации нанотрубок в основном составе, говорит Коропачинский. Компания пока не вышла на прибыль. Как рассказал глава компании «РБК Инвестициям», выхода на точку безубыточности и дальнейшего получения прибыли компания ждет в 2022 году. По итогам 2019 года выручка OCSiAl составила $14 млн, говорил вице-президент компании Александр Зимняков. В том же году было синтезировано 23 тонны нанотрубок, средняя цена продажи составила $1,8 тыс. за килограмм. Компания за тот год продала только 35% от произведенного объема. Нанотрубки хранятся вечность, а спрос на них отложен из-за того, что материал новый и рынок только формируется, объясняет Коропачинский. По его словам, несмотря на общий спад активности на мировых рынках, в 2020 году OCSiAl удержал свои продажи на уровне 2019 года (точных цифр он не называет). Сейчас в мире более распространено производство многостенных углеродных нанотрубок, говорит руководитель группы оценки рисков устойчивого развития АКРА Максим Худалов. «Они нацелены примерно на тот же сегмент, что и одностенные, но весят намного больше и их электропроводимые свойства гораздо хуже. Одностенные нанотрубки в этом смысле гораздо серьезнее меняют свойства материалов», — объясняет аналитик. Так как крупных производителей одностенных нанотрубок сейчас практически нет и в большей степени ими занимаются университеты и исследовательские институты, то компания OCSiAl является в этом сегменте почти монополистом, отмечает он. Сложности для одностенных углеродных нанотрубок заключаются в том, что их массовое внедрение может затянуться — на это нужно не менее пяти лет, считает эксперт.

Фото: OCSiAl

«Да, эта продукция обещает сумасшедшие достижения с точки зрения материаловедения. Но нужно понимать, что быстро такие вещи не случаются. Любое улучшение конструкции, материаловедческое внедрение требуют множества тестов. Никакой инженер не разрешит использование инновационного бетона с такими добавками на сложном сооружении, потому что, если оно рухнет, ему придется за это отвечать. До того как появится сертификация от госорганов как в России, так и за рубежом, ожидать, что рынок углеродных нанотрубок резко рванет вверх, наверное, не стоит», — рассуждает Худалов. Основным драйвером роста продаж одностенных трубок OCSiAl считает замещение многостенных углеродных нанотрубок. Их сейчас глобальная экономика потребляет в объеме около 3 тыс. тонн в год. Производители графеновых нанотрубок рассчитывают на половину этого рынка, или на $50–100 млрд в год. Однако, как и в случае других инноваций, сложнее всего отделить ранний рынок от основного. На раннем рынке темпы прироста были высокими — 25% в год. Но каков его реальный потенциал? Основные будущие потребители — это производители электромобилей. Однако эта часть рынка плохо предсказуема, считает аналитик ГК «Финам» Леонид Делицын. Главным рынком для роста в компании называют электротранспорт, и в частности, производство литий-ионных батарей. Как раннее говорил Коропачинский, из 160 мировых производителей литий-ионных батарей компания работает со 140. Большинство контрактов защищены соглашениями о неразглашении. По словам главы OCSiAl, краткосрочные цели компании — это выпуск совместных продуктов в области литий-ионных батарей, шин, покрытий и полимеров. В течение трех лет компания хочет вырасти в десять раз. В долгосрочной перспективе (следующие 25 лет), по мнению Юрия Коропачинского, компания будет мировым лидером в производстве и использовании графеновых нанотрубок. Через десять лет компания должна достичь капитализации более $100 млрд, строит он прогнозы. «Публичные компании с капитализацией от $10 млрд до $100 млрд, которые разрабатывают и производят новые материалы, существуют. Это, например, Applied Matherials, Du Pont, Dow, Arkema, акции которой обращаются в Париже. Как правило, однако, они производят очень широкий спектр материалов, и выручка сопоставима с капитализацией ( мультипликатор P/S составляет довольно низкую величину от 1 до 2, хотя у Applied Matherials приближается к 6). Возможности получить компанией OCSiAl высокую выручку будут определяться спросом со стороны новых отраслей, в первую очередь — нового транспорта», — считает аналитик ГК «Финам» Леонид Делицын.

Больше новостей об инвестициях вы найдете в нашем аккаунте в Instagram

Стоимость компании на рынке, рассчитанная из количества акций компании, умноженного на их текущую цену. Капитализация фондового рынка – суммарная стоимость ценных бумаг, обращающихся на этом рынке. Расчетный показатель. Позволяет оценить уровень недооцененности или переоцененности активов рынком. Считается как отношение показателя, содержащего рыночную стоимость актива (капитализация, цена акции, стоимость бизнеса) с отчетным финансовым показателем (выручка, прибыль, EBITDA и др.). Недооцененность или переоцененность актива оценивается при сравнении значения мультипликатора с мультипликаторами конкурентов. Компания — стартап, получившая рыночную оценку от $1 млрд.

Нанотрубки или графен: битва за будущее электроники

У углеродных нанотрубок появился серьезный конкурент в области наноэлектроники. Это развернутая в двухмерный лист углеродная нанотрубка или наноматериал графен, на основе которого уже созданы графеновые полевые транзисторы.

Впервые графен был синтезирован профессором Эндрю Геймом и его коллегами из университета Манчестера (США) совместно с командой доктора Новоселова из Черноголовки (Россия). Наноматериал представляет собой «развернутую» нанотрубку. Это пленка из атомов углерода, представляющая собой одну молекулу. Новый наноматериал назвали «двухмерным», так как его толщина составляет один атом углерода.

Проф. Гейму впервые удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. При этом отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав «заплатку» из ткани толщиной в один атом. Исследователи назвали новый материал двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электричество.

Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой наноэлектронных устройств.

Свойства графена довольно неплохо изучены. Так, ученые из технологического института Джорджии (США) совместно с исследователями из Национального центра научных исследований (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS, Франция) создали графеновые транзисторы и простейшую логику на их основе, сообщает EurekAlert. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.

«Мы собираемся создать наноэлектронные устройства, которые не имеют ничего общего с современной микроэлектронной базой, — говорит Вальт де Хир (Walt de Heer), профессор из технической школы физики Джорджии. — Наша основная цель — создание наноэлектронных устройств, работающих на эффекте дифракции электронов, а не на обычном эффекте диффузии, использующемся повсеместно. Если нам удастся это сделать, в нашем распоряжении будут быстродействующие устройства с низким энергопотреблением».

Работа ученых поддерживается не только Национальным научным обществом США, но и корпорацией Intel, что не удивительно в свете последних достижений в области наноэлектроники. Проф. де Хир и его коллеги сделали доклад о своих достижениях 13 марта на сессии Американского физического общества.

Денис Хадасков, HD Tech: В России исторически сложилось, что инновации появляются в финансовых компаниях

Поскольку углеродные нанотрубки проводят электричество практически без сопротивления, то, естественно, они до сих пор являются кандидатами №1 для транзисторной базы. Более того, кроме одиночных транзисторов, на их основе уже создан полностью функционирующий логический контур. Однако ряд трудностей мешает перейти уже сейчас на массовое применение нанотрубок в микро- и наноэлектронике.

Ниже перечислены основные причины, не пускающие нанотрубки в «большую электронику»:

Нанотехнологии. Коммерческая реализация в процессе проработки

АО «ЗАВКОМ» — первое в Российской Федерации предприятие, освоившее промышленный выпуск многостенных углеродных нанотрубок, а также материалов на основе графена и родственных структур.

Описание

Углеродные нанотрубки и графен, открытые в 90х годах двадцатого века и в первом десятилетии текущего столетия соответственно, являются уникальными структурами, обладающими удивительными свойствами: высокая прочность, в сочетании с рекордной электро- и теплопроводностью, способность поглощать и удерживать различные загрязнители и др.

Углеродные нанотрубки представляют собой квазиодномерные, наномасштабные, нитевидные образования поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом.

На сегодняшний день предприятие освоило выпуск многостенных углеродных нанотрубок большое разнообразие их функционализированных форм, адаптированных к конкретным приложениям. Также предприятие разрабатывает, производит и реализует пилотное оборудование для реализации процессов синтеза углеродных наноструктур. Так в 2008 — 2010 годах реакторы синтеза углеродных нанотрубок были поставлены в Японию, Чехию, Германию и Украину.

Качество и безопасность нанотехнологической продукции, производимой АО «ЗАВКОМ», подтверждается сертификатами системы «Наносертифика», а УНМ серии «Таунит» отмечены знаком «Российская нанотехнологическая продукция».

АО «ЗАВКОМ» производит следующие виды нанотехнологической продукции:

Углеродный наноструктурный материал серии «Таунит»