Сенсорные молекулярные сита на основе нанотрубок и наноусов

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТОЧНЫЕ НАУКИ

УДК 621.3.049

СЕНСОРНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИТА НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК И НАНОУСОВ

Докт. техн. наук, проф. КОЛЕШКО В. М., аспиранты ЧАШИНСКИЙ А. С., ХМУРОВИЧ Н. В.

Белорусский национальный технический университет

Важным элементом систем мониторинга окружающей среды и систем безопасности являются химические сенсоры. Их разработка основана на использовании чувствительных слоев, обладающих специфической реакцией к окружающей атмосфере [1, 2]. В настоящее время большой интерес вызывает использование наноструктурированных материалов в качестве таких чувствительных элементов [3].

Углеродные нанотрубки - структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с одним из указанных материалов. Большая площадь поверхности, доступная для адсорбции различных газов и веществ, сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости, высокая чувствительность свойств углеродного материала к сорбированным на их поверхности молекулам и радикалам дает возможность создания на основе углеродных нанотрубок высокочувствительных сверхминиатюрных сенсоров для контроля опасных веществ в атмосфере (И2, 02, СО и т. д.).

Применение молекулярных сит. Молекулярные сита имеют огромную практическую важность как идентификаторы адсорбционных и каталитических процессов. При переходе от микро- к наноуровню возможно применение нанотрубок вместо других адсорбентов типа активированного угля, селикагеля и цеолитов.

Среди разнообразных примеров использования нанотрубок достаточно назвать: выделение и очистку нормальных парафиновых углеводородов, сушку хладагентов, разделение компонентов воздуха, получение носителей для катализаторов, извлечение радиоактивных изотопов из жидких отходов атомной промышленности, выделение двуокиси углерода и сернистых соединений из природного газа, отбор проб воздуха, выделение ферментов, удаление примесей загрязняющих атмосферу.

Молекулярные сита можно использовать в следующих направлениях: в качестве адсорбентов для осушки и очистки газовых потоков, для разделения веществ в зависимости от размера молекул, например разделение смесей углеводородов различного строения.

Сенсорное молекулярное сито. Сенсорное устройство состоит из системы ввода пробы и сенсорной системы (рис. 1). Сенсорная часть устройства представлена в виде тонкопленочной структуры для возбуждения поверхностных акустических волн [4], которая помещается в емкость сита. Структуры на поверхностных акустических волнах (ПАВ-структуры) находятся за нейтральными слоями, которые обеспечивают нормальное состояние адсорбента в колонне, предотвращают его изнашивание и равномерно распределяют поток газа. Поддерживающий слой расположен на решетке, над которой расположены последовательные слои шариков, обеспечивающих термодвижение. Выбор соответствующего типа нейтральных слоев зависит от сферы применения и используемого сенсора.

ІІЛВ rrf>Vhl>|]:i

м ги Снсти вводя np«ui>[ IldTltfc Контроллер ІЮТЖ1

Рис. І. Структурная схема молекулярных сит

В качестве чувствительного элемента предложено использовать нанотрубки и наноусы (табл. 1).

Таблица І

Основные материалы для создания нанотрубок и наноусов

Нано- мате- риал Исходные соединения Температура кристаллизации, 0С Прочность трубок ат, кгс/мм2 Длина трубок, мкм

Си CuI, H2 590-800 3б0 1-б0

CuCl, H2 430-800 450 1-10

CuBr, H2 б00 3б0 1-10

Ag AgCl, H2 4б0-925 17б 1-10

Pt PtCl*, H2 800 430 1-10

Pd PdCl2, Ar 8б0-1000 270 1-б

Со CoBr2, H2 б90-730 330 1-18

CoCl2, H2 б00 330 1-15

С C2H2, CH4, Ar б00-800 2450 0,1-5

Сенсорная часть устройства представлена в виде ПАВ-структур (рис. 1). Встречно-штырье-вые преобразователи (ВШП) расположены на пьезоэлектрической подложке и создают на подложке ПАВ. Зная изменение скорости волны или резонансной частоты, можно с помощью (1) определить изменение массы чувствительного слоя, что является результатом адсорбции вещества на чувствительный элемент, расположенный на пьезоэлектрическом кристалле:

А/ Ау

— = к— = -кс/тп,

/о уо

где к - длина пробега волны между ВШП, располагающимися на пьезоэлектрическом кристалле; ст - массовая чувствительность устройства (~ 1,3-10-6 г/см2 ); п - концентрация адсорбированных молекул; т - масса адсорбированных молекул.

В табл. 2 представлена масса адсорбционных молекул, предназначенных для расчета концентрации адсорбента.

Таблица 2

Виды адсорбируемых веществ

Вещество Молекулярная масса, а. е. м.

Октоген (HMX) (CH2)4N4(NO2)4 29б

Нитроглицерин (NG) (CH2)2(CH)(ONO2)3 227

Гексоген (RDX) (CH2)3N3(NO2)3 208

Пентаэритриттетранитрат (PETN) C(CH2)4(ONO2)4 31б

Тротил (TNT) C6(NO2)3(CH3) 225

Этиленгликольдинитрат (EGDN) (CH2)2(ONO2)2 152

Водород Н2 2

Диоксид азота NO2 4б

Оксид углерода СО 13

Данное устройство может применяться в качестве молекулярного сита. Нанотрубки, используемые в качестве чувствительного элемента, способны пропускать через себя химические вещества, имеющие размеры меньше расстояния между нанотрубками, исключая проход веществ, размеры которых больше эффективного расстояния между нанотрубками, т. е. две ПАВ-структуры позволяют установить диапазон с отобранными заранее верхним и нижним ограничениями эффективного расстояния для определения химических элементов. Эффективное расстояние нанотрубок может варьироваться в пределах 0,34-1,5 нм.

Результаты моделирования. Было изучено сорбционное взаимодействие одностенных нанотрубок с Н2, N02 и СО (рис. 2). Показано, что в зависимости от вида адсорбированного газа на углеродный материал энергия связи для N02 меньше, чем для СО и Н2 (разность глубины потенциальной ямы для Н2 и пучка нанотрубок 10x10 (Б « 1,36 нм) составляет «

« -0,73 ккал/моль, для N02 « -2,77 ккал/моль, СО « -1,81 ккал/моль).

Можно ожидать, что нанотрубный материал будет обладать большей специфичностью по отношению к N02 в сравнении с СО и Н2, что существенно, с точки зрения разработки сенсорных элементов химических датчиков.

не смогут проникнуть через пучок одностенных углеродных нанотрубок, т. е. будут отсеяны. Например, при г(Етах)~0,52нм водород может проходить через пучок нанотрубок и адсорбироваться в нем, диоксид азота в свою очередь -при г(Етах)~0,54нм, а оксид углерода - при г(Етах)~0,56нм. Значение r(Emax) зависит от вида и размера электронных оболочек адсорбированных газов.

Из результатов исследования взаимодействия опасных веществ с пучком наноуглерод-ного материала (рис. 3) следует, что нанотрубки обладают высокой чувствительностью к взрывчатым вешествам (минимальная энергия взаимодействия одной молекулы «17,8 ккал/моль) и, в отношении RDX, TNT и NG, селективной избирательностью (при примерно одинаковой молекулярной массе «230 а.е.м. энергия системы отличается «1,5-2 ккал/моль).

а 27 ” 25

23 21 19

♦ TNT * NG

Рис. 3. Зависимость энергии взаимодействия опасных веществ с пучком нанотрубок от эффективного расстояния между нанотрубками

В Ы В О Д

к

Расстояние до нанотрубки, А Рис. 2. Энергия связи при адсорбции на пучке нанотрубок 10x10 для различных га зов

Также были получены зависимости глубины потенциальных ям от размера эффективного расстояния между углеродными нанотрубками. Анализируя их, можно сделать вывод о том, при каких значениях г молекулы Н2, N02 и СО

1 . Способ

устройство для В. М. Колешко,

Установлено, что нанотрубки обладают определенной специфичностью по отношению к адсорбции опасных газов и взрывчатых веществ и могут служить каналами в устройствах селективной диагностики, транспортировки, разделения и очистки газовых сред. Также углеродный наноматериал может служить основой сенсорных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости.

Л И Т Е Р А Т У Р А

контроля параметров газовой среды и его осуществления: а. с. 1262317 СССР / А. В. Гулай // Бюл. изобр. - 1983. - № 17.

17

140

1б0

180

200

240

2б0

280

300 320

2. Колешко, В. М. Мультипроцессорная микросистема дистанционного обнаружения взрывчатых и наркотических веществ / В. М. Колешко, Ю. Д. Карякин // Теоретическая и прикладная механика. - 2005. - № 18. - С. 79-83.

3. Колешко, В. М. Сенсорные микросистемы на основе углеродных и алмазоподобных пленок / В. М. Ко-лешко, В. В. Баркалин, Е. В. Полынкова // Техно логические системы информации в инженерии продукции. -2001. - № 2. - С. 276-279.

4. Колешко, В. М. Формирование эпитаксиальных пленок кремния на тонких пленках дисилицида кобальта / В. М. Колешко, В. Ф. Белицкий, Г. Н. Троянова // Поверхность. Физика, химия, механика. - 1990. - № 10. -С. 93-102.

Поступила 30.03.2006

УДК 620.130

ЗАКОНЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВБЛИЗИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Инж. ПАВЛЮЧЕНКО В. В.

Белорусский национальный технический университет

Распространение электромагнитных волн в проводящих средах и их отражение от металлических поверхностей рассматриваются в ряде теоретических работ [1-4]. Так, в [1] представлено совместное решение уравнений Максвелла при комплексном выражении синусоидально изменяющихся напряженностей электрического и магнитного полей для плоских электромагнитных волн, распространяющихся в комплексной изотропной среде для проводящего полупространства.

В [4] распространение магнитного поля в электропроводящем полупространстве рассматривается как диффузия магнитного поля вглубь материала. Эта задача решается так же, как и задача распространения тепла в теории теплопроводности [5-6].

Решение уравнений Максвелла для одномерного случая приводит к следующим выражениям: величина напряженности магнитного поля И2 зависит от расстояния х в глубь материала с эффективной глубиной проникновения 5 и от времени ^ в случае стационарного процесса в соответствии с формулой

И (х, і) = И0е 5 біп| юґ--------------

5

где Н0 - амплитуда напряженности магнитного поля на поверхности материала, а для величины плотности индукционного тока /у выполняется аналогичная зависимость

0.1 х п 5 БІП| юі--------------1—

5 4

где /0 - амплитуда плотности поверхностного тока.

В случае переходных процессов зависимости Иг (х, I) и /у (х, I) носят сложный характер

и могут быть найдены только численными методами.

Несмотря на имеющиеся теоретические решения задачи распространения импульсного магнитного поля в электропроводящую пластину [1, 4], закономерности распределения напряженности магнитного поля в ней по глубине и над пластиной точно не определены, так как решения получены при известных допущениях и конечные результаты не представлены точными аналитическими функциями.

Кроме того, при всех указанных теоретических расчетах остается открытым вопрос о максимальных величинах плотности тока и напряженности магнитного поля на поверхности ма-

X

X