The paper presents results of investigations and modeling of adsorption–sensory interactions of carbon nano-material with dangerous gases and explosives. The design of nano-sensor molecular sieves is described. New directions in the field of the molecular sieve application are considered in the paper. Представлены результаты исследования и моделирования адсорбционно-сенсорных взаимодействий углеродного наноматериала с опасными газами и взрывчатыми материалами. Описана конструкция наносенсорных молекулярных сит. Рассмотрены новые направления в области применения молекулярных сит

A. S. Chashinsky

N. V. Hmurovich

V. M. Koleshko

А. С. Чашинский

В. М. Колешко

Н. В. Хмурович

Russian

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА

Естественные и точные науки   Вестник БНТУ, № 3, 2007 63   Е С Т Е С ТВ Е Н НЫ Е  И  Т ОЧ НЫ Е Н АУ КИ     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 яв-ляются химические сенсоры. Их разработка основана на использовании чувствительных слоев, обладающих специфической реакцией к окружающей атмосфере [1, 2]. В настоящее время большой интерес вызывает использова-ние наноструктурированных материалов в ка-честве таких чувствительных элементов [3]. Углеродные нанотрубки – структуры, со-стоящие 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 мате-риалов. Большая площадь поверхности, до-ступная для адсорбции различных газов и ве-ществ, сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные ха-рактеристики, высокая химическая стабиль-ность при существующей пористости, высокая чувствительность свойств углеродного матери-ала к сорбированным на их поверхности моле-кулам и радикалам дает возможность создания на основе углеродных нанотрубок высо- кочувствительных сверхминиатюрных сенсо-ров для контроля опасных веществ в атмосфере (H2, O2, СО и т. д.). Применение молекулярных сит. Молеку-лярные 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 исполь- зования нанотрубок достаточно назвать: выде-ление и очистку нормальных парафиновых  углеводородов, сушку хладагентов, разделе- ние компонентов воздуха, получение носите- лей для катализаторов, извлечение радиоактив- ных изотопов из жидких отходов атомной  промышленности, выделение двуокиси угле- рода и сернистых соединений из природного газа, отбор проб воздуха, выделение фермен-тов, удаление примесей загрязняющих атмо-сферу. Молекулярные сита можно использовать в следующих направлениях: в качестве адсорбен- тов для осушки и очистки газовых потоков, для разделения веществ в зависимости от размера молекул, например разделение смесей углево-дородов различного строения. Сенсорное молекулярное сито. Сенсорное устройство состоит из системы ввода пробы и сенсорной системы (рис. 1). Сенсорная часть устройства представлена в виде тонкопленоч-ной структуры для возбуждения поверхност-ных акустических волн [4], которая помещается в емкость сита. Cтруктуры на поверхностных акустических волнах (ПАВ-структуры) нахо-дятся за нейтральными слоями, которые обес-печивают нормальное состояние адсорбента в колонне, предотвращают его изнашивание и равномерно распределяют поток газа. Поддер-живающий слой расположен на решетке, над которой расположены последовательные слои шариков, обеспечивающих термодвижение. Выбор соответствующего типа нейтральных слоев зависит от сферы применения и исполь-зуемого сенсора.  Естественные и точные науки   Вестник БНТУ, № 3, 2007 64   Рис. 1. Структурная схема молекулярных сит  В качестве чувствительного элемента пред-ложено использовать нанотрубки и наноусы (табл. 1).  Таблица 1  Основные материалы для создания нанотрубок  и наноусов  Нано-мате-риал Исход-ные сое- динения Температура кристаллизации, oС Прочность трубок σт, кгс/мм2 Длина  трубок, мкм  Сu   Аg Рt Pd Со  С  CuI, H2 CuCl, H2 CuBr, H2 AgCl, H2 PtClx, H2 PdCl2, Ar CoBr2, H2 CoCl2, H2 C2H2, CH4, Ar  590–800 430–800 600 460–925 800 860–1000 690–730 600 600–800  360 450 360 176 430 270 330 330 2450  1–60 1–10 1–10 1–10 1–10 1–6 1–18 1–15 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 вол-ны или резонансной частоты, можно с помо-щью (1) определить изменение массы чувстви-тельного слоя, что является результатом ад-сорбции вещества на чувствительный элемент, расположенный на пьезоэлектрическом кри-сталле: ,000mnfkcvvkffm−=∆=∆                    (1)  где k – длина пробега волны между ВШП, рас-полагающимися на пьезоэлектрическом кри-сталле; сm – массовая чувствительность устрой-ства (~1,3⋅10–6 г/см2 ); n – концентрация адсор-бированных молекул; m – масса адсорбирован- ных молекул. В табл. 2 представлена масса адсорбцион-ных молекул, предназначенных для расчета концентрации адсорбента.  Таблица 2 Виды адсорбируемых веществ  Вещество Молекулярная  масса, а. е. м. Октоген (HMX) (СН2)4N4(NO2)4 296 Нитроглицерин (NG)      (CH2)2(СН)(ОNO2)3  227 Гексоген (RDX) (CH2)3N3(NO2)3 208 Пентаэритриттетранитрат (PETN)      С(СН2)4(ОNO2)4  316 Тротил (TNT) C6(NO2)3(CH3) 225 Этиленгликольдинитрат (EGDN)      (CH2)2(ОNO2)2  152 Водород Н2 2 Диоксид азота NO2 46 Оксид углерода СО 13 Естественные и точные науки   Вестник БНТУ, № 3, 2007 65 Данное устройство может применяться в качестве молекулярного сита. Нанотрубки, ис-пользуемые в качестве чувствительного эле-мента, способны пропускать через себя хими-ческие вещества, имеющие размеры меньше расстояния между нанотрубками, исключая проход веществ, размеры которых больше эф-фективного расстояния между нанотрубками,  т. е. две ПАВ-структуры позволяют установить диапазон с отобранными заранее верхним и нижним ограничениями эффективного расстоя-ния 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, NO2 и СО (рис. 2). Показано, что в зависимости от вида адсорбированного газа на углеродный материал энергия связи для NO2 меньше, чем для СО и Н2 (разность глуби-ны потенциальной ямы для Н2 и пучка нанотру- бок 10×10 (D ≈ 1,36 нм) составляет ≈  ≈ –0,73 ккал/моль, для NO2 ≈ –2,77 ккал/моль, CO ≈ –1,81 ккал/моль). Можно ожидать, что нанотрубный материал будет обладать большей специфичностью по отношению к NO2 в сравнении с СО и Н2, что существенно, с точки зрения разработки сен-сорных элементов химических датчиков.  Также были получены зависимости глубины потенциальных ям от размера эффективного расстояния между углеродными нанотрубками. Анализируя их, можно сделать вывод о том, при каких значениях r молекулы Н2, NO2 и СО не смогут проникнуть через пучок одностенных углеродных нанотрубок, т. е. будут отсеяны. Например, при r(Emax)~0,52нм водород может проходить через пучок нанотрубок и адсорби-роваться в нем, диоксид азота в свою очередь – при r(Emax)~0,54нм, а оксид углерода – при r(Emax)~0,56нм. Значение r(Emax) зависит от вида и размера электронных оболочек адсорбиро- ванных газов. Из результатов исследования взаимодей-ствия опасных веществ с пучком наноуглерод-ного материала (рис. 3) следует, что нанотруб-ки 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).                    140        160         180        200         220        240        260         280        300      320  Рис. 3. Зависимость энергии взаимодействия опасных ве- ществ с пучком нанотрубок от эффективного расстояния                                между нанотрубками                       В Ы В О Д  Установлено, что нанотрубки обладают определенной специ-фичностью по отношению к ад-сорбции опасных газов и взрыв-чатых веществ и могут служить каналами в устройствах селек-тивной диагностики, транспорти-ровки, разделения и очистки га-зовых сред. Также углеродный наноматериал может служить ос-новой сенсорных молекулярных сит высокой селективности и га-зопроницаемости.  Л И Т Е Р А Т У Р А  1. Способ контроля параметров газовой среды и устройство для его осуществления: а. с. 1262317 СССР /  В. М. Колешко, А. В. Гулай // Бюл. изобр. – 1983. – № 17. 27  25  23  21  19  17 Энергия связи одной молекулы ВВ, ккал/моль Рис. 2. Энергия связи при адсорбции на пучке нанотрубок 10×10  для различных га зов Естественные и точные науки   Вестник БНТУ, № 3, 2007 66 2. Колешко, В. М. Мультипроцессорная микросисте-ма дистанционного обнаружения взрывчатых и наркоти-ческих веществ / В. М. Колешко, Ю. Д. Карякин // Теоре-тическая и прикладная механика. – 2005. – № 18. – С. 79–83. 3. Колешко, В. М. Cенсорные микросистемы на ос-нове углеродных и алмазоподобных пленок / В. М. Ко-лешко, В. В. Баркалин, Е. В. Полынкова // Технологиче-ские системы информации в инженерии продукции. – 2001. – № 2. – С. 276–279. 4. Колешко, В. М. Формирование эпитаксиальных пленок кремния на тонких пленках дисилицида кобаль- та / В. М. Колешко, В. Ф. Белицкий, Г. Н. Троянова // По-верхность. 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 метал-лических поверхностей рассматриваются в ряде теоретических работ [1–4]. Так, в [1] представ-лено совместное решение уравнений Максвел-ла при комплексном выражении синусоидально изменяющихся напряженностей электрическо-го и магнитного полей для плоских электро-магнитных волн, распространяющихся в ком-плексной изотропной среде для проводящего полупространства. В [4] распространение магнитного поля в электропроводящем полупространстве рас-сматривается 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 одно-мерного случая приводит к следующим выра-жениям: величина напряженности магнитного поля Hz зависит от расстояния х в глубь мате-риала с эффективной глубиной проникновения δ и от времени t в случае стационарного про-цесса в соответствии с формулой  ,sin),( 0 δ−ω= δ− xteHtxHxz           (1)  где Н0 – амплитуда напряженности магнитного поля на поверхности материала, а для величины плотности индукционного тока jy выполняется аналогичная зависимость  ,4sin),( 0  π+δ−ω= δ− xtejtxjxy         (2)  где j0 – амплитуда плотности поверхностного тока. В случае переходных процессов зависимо-сти ),( txH z  и ),( txjy  носят сложный характер и могут быть найдены только численными ме-тодами. Несмотря на имеющиеся теоретические ре-шения задачи распространения импульсного магнитного поля в электропроводящую пла-стину [1, 4], закономерности распределения напряженности магнитного поля в ней по глу-бине и над пластиной точно не определены, так как решения получены при известных допуще-ниях и конечные результаты не представлены точными аналитическими функциями. Кроме того, при всех указанных теоретиче-ских расчетах остается открытым вопрос о мак-симальных величинах плотности тока и напря-женности магнитного поля на поверхности ма-

СЕНСОРНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИТА НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК И НАНОУСОВ

https://sat.bntu.by/jour/article/download/1096/1022

СЕНСОРНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ СИТА НА ОСНОВЕ НАНОТРУБОК И НАНОУСОВ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Science & Technique (E-Journal) / НАУКА и ТЕХНИКА