VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Недавно были синтезированы металлические нановолокна с магнитным покрытием, на их свойства и ориентацию в пространстве можно влиять с помощью электромагнитного поля. Предложена технология перемещения нанообъектов. В работе предлагаются новые сферы применения металлических нановолокон с магнитным напылением.

1. Введение.Нановолокно— объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне от 1 до 100 нм и существенно меньше третьего. К классу нановолокон относят такие нанообъекты, как нанотрубки, нанопроволоки, нановискеры и наностержни. Нановолокна могут быть жесткими (наностержни) или гибкими, проводящими или не проводящими электрический ток.

В настоящее время разработано несколько способов формирования длинных нановолокон: вытягивание (тонкое остриё погружается в каплю полимерного раствора и затем извлекается вытягивая нановолокно), темплатный синтез (раствор полимера продавливается через пористую мембрану) и электроформирование (результат действия электростатических сил на электрически заряженную струю).

Нановолокна применяются в целом ряде областей: медицине, биоинженерии, электронике, в фильтрации газов и жидкостей, в создании композиционных материалов и др.[1] (рис 1.1).

Рис 1.1

Обширность области применения нановолокна вызван тем, что механические свойства материалов, такие как предел прочности, прочность на разрыв, на изгиб и на сжатие, модули упругости возрастают при уменьшении диаметра волокон и достигают теоретического предела при достижения наноуровня [1](рис 1.2).

Рис 1.2. Зависимость прочности на разрыв промышленных волокон из карбида кремния от их диаметра.

2. Способы применения нановолокна с магнитным покрытием.

2.1 Детектор магнитного поля. На первый план управления таким нановолокном становится магнитное поле. Понятно, что волокна с магнитным покрытием ориентируются по линиям магнитного поля (пример: стрелка компаса). Поэтому управлять такими волокнами можно при помощи внешних магнитных полей. Устройство, регистрирующее магнитное поле или изменение его называется детектор магнитного поля. Принципиальная схема устройства изображена на (рис 2.1). Где H₀ – магнитное поле ориентирующее волокна в одном направлении, H_x – исследуемое.

Рис 2.1. Принципиальная схема детектора магнитного поля

Для определения углового отклонения, волокна помещают в жидкость так, что бы при определённой концентрации волокон, падающий свет на систему, выходил из неё линейно поляризованным. Так, если на детектор падает линейно поляризованный свет и волокна находятся в плоскости поляризации (исследуемого поля нет), то при отклонениях волокон на угол φ (при воздействии исследуемого поля) интенсивность вышедшего света из детектора будет меньше первоначальной. Интенсивность падающей и вышедшей волны из поляризатора описывается законам Малюса:

I=I0(cosφ)² 2.1

Преимущество такого устройства заключается в высокой чувствительности. Это связано с массой нановолокна (если диаметр нанотрубки 1.8нм, а длина 205нм то масса составляет примерно 1.5*10^-21кг.). При такой массе волокна и силе ~10^-12Н (что вполне соответствует исследуемым полям ~10^-9Тл) получим заметное угловое отклонение.

Детектор магнитного поля можно использовать при исследовании колебаний магнитного поля земли, а также в качестве поляризатора с управляемым вектором поляризации.

2.2 Материалы с переменными свойствами. Если на подложке создать волокнистый слой, так что одни концы волокон закреплены шарнирным механизмом, то подложку можно использовать как плёнку с переменными свойствами. Пусть теперь магнитное поле заставляет волокна располагаться не вдоль поверхности плёнки, а перпендикулярно к ней, тогда материал превращается (рис 2.2):

а) из непрозрачного в прозрачный, за счёт открытия для фотонов зоны пролёта (подложка - стекло);

б) из слабого звукоизолятора или теплоизолятора в сильный, за счёт увеличения воздушной прослойки (подложка - звукоизолятора или теплоизолятор);

в) из слабого реагента в сильный, за счёт увеличения активной поверхности (подложка - активная поверхность).

Рис 2.2. Принципиальная схема управляемого материала

Это даст возможность создавать материалы с регулируемыми параметрами: прозрачности, теплопроводности, адсорбции. Такой материал находит применение в повседневной жизни, так например: самозакрывающиеся стёкла, одежда с переменной теплоизоляцией, ткани с локальным впитыванием жидкости, щиты с рекламами.

2.2.1 Если волокна закрепить между двумя подложками, то получится материал сжимающийся или расширяющийся под действием поля. Поднося к одной из подложек магнитное поле (например, положить на поверхность к которой закреплены маленькие электромагниты), материал с волокном будет изменять толщину.

Рис 2.2.1 Принципиальная схема материала с переменными свойствами. Слой нановолокна(1) лежит на поверхности(2) с маленькими электромагнитами.

Такой материал, имеющий хорошую чувствительность, может быть пригоден в микроскопии, в качестве приборного столика. Такой столик может настраиваться с микронной точностью.

2.3 Фильтр. Последнее, что можно сделать с такими волокнами – это перемещать их под воздействием неоднородного магнитного поля (полосовой магнит). Если ввести такие волокна в канал с жидкостью, то они распределяться случайным образом по каналу.

Рис 2.3. В отсутствие магнита хаотическое расположение волокон, с магнитом – упорядоченное.

При поднесении магнита к каналу, волокна соберутся около него. Далее, перемещая магнит вдоль канала, можно перемещать волокна по каналу и выводить их из канала. Так решается проблема с отработанными волокнами в фильтрах, которые не очищают воду, а делают грязнее. Теперь волокна можно извлечь и даже почистить, что уменьшает стоимость фильтров такого плана в несколько раз.

Это же свойства волокна можно использовать при доставке препарата к очагу заболевания. Например, при химиотерапии, когда противопоказано отравление организма.

3. Вывод. Таким образом, нановолокна с магнитным напылением можно использовать в детекторах магнитных полей, при создании материалов с переменными свойствами, в фильтрах на основе нановолокон и медицине для адресной доставки лекарственного препарата.

Литература:

1. А.Т. Матвеев, И.М. Афанасов Получение нановолокон методом электроформования // Москва 2010

2. Rao CNR., Deepak FL., Gautam Gundiah, A. Govindaraj. Inorganic nanowires. // Progress in Solid State Chemistry, 2003, 31:5–147.

3. Nanotechnologies. Terminology and definitions for nano-objects // Nanoparticle, nanofibre and nanoplate. ISO/TS 27687:2008.

4. Vocabulary. Nanoparticles // The British Standards Institution, 2005. PAS 71:2005.

Электронные ресурсы:

http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1259

http://www.rusnanonet.ru

 

Код для цитирования: Скопировать