УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ (Carbon Nanotubes)

  • ... Каприз чертежника,
  • Тонко-ажурная,
  • Как сетчатый чулок...
  • Прохожий. "Эйфелева башня"

Великие шедевры архитектуры можно встретить не только в Париже, но и в наномире — замечательным аналогом всем известной Эйфелевой башни являются углеродные нанотрубки, которые в 1010 раз меньше своего оригинала. Впервые углеродные нанотрубки были получены в 1991 году в лабораториях компании NEC (Япония) при распылении графита в электрической дуге. Позднее исследователи разработали различные способы их синтеза из графита и углеводородов — путем химического осаждения из паровой фазы в присутствии катализаторов, методом лазерной абляции, с использованием темплатов.

  • рис.1 Сравнение размеров углеродной нанотрубки и Эйфелевой башни
В зависимости от условий синтеза возможно получить как одностенные углеродные нанотрубки, похожие на очень тонкий и длинный цилиндр, «склеенный» из гексагональной углеродной сетки (рис. 1), так и многостенные нанотрубки. Последние представляют собой либо сверток, аналогичный бумажному свитку, либо набор одностенных труб, вставленных друг в друга наподобие матрешки (рис. 2). В зависимости от того, как именно из графитовой плоскости «вырезать полоску» и как ее свернуть, диаметр трубки может варьироваться в широких пределах от 0,4 до 100 нм, а длина — от 1 до 100 мкм.

Углеродные нанотрубки обладают очень разнообразными свойствами, демонстрируя, несмотря на свою кажущуюся хрупкость и ажурность, высокую прочность на растяжение и изгиб, способность перестраиваться под действием механических напряжений, высокую проводимость, необычные магнитные и оптические свойства (см. табл. 1).

  • рис.2 Графитовая плосткость и многостенная углеродная нанотрубка
Но поистине удивительная особенность таких структур заключается в зависимости свойств от структуры самой нанотрубки. Так, например, вектор свертки графитовой плоскости определяет электронную структуру нанотрубки: будет ли она металлом или полупроводником.

Поражает воображение разнообразие применений нанотрубок, одни из которых только придуманы «на бумаге», а другие — реализованы в действительности. Нанотрубки могут использоваться в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей: согласно результатам численного моделирования модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 103 ГПа, что на порядок выше, чем у стали.

  • рис.3 Возможные модели углеродных нанотрубок
Недаром реализация одного из грандиозных проектов будущего, строительства космического лифта, основывается на уникальной механической прочности трубок: к настоящему моменту экспериментально подтверждено, что «микротрос» из нанотрубок толщиной с человеческий волос способен удерживать грузы в сотни килограмм! Необычные электрические свойства нанотрубок делают их наиболее перспективным материалом наноэлектроники: уже сейчас на их основе созданы опытные образцы полевых транзисторов и полупроводниковых гетероструктур, в которых переход металл/полупроводник реализуется в пределах единичной нанотрубки путем контролируемого создания дефектов в ее структуре.

Однако нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования. На их основе можно, к примеру, создать микроскопические нановесы, нанотермометры и другие наноинструменты, а если трубку «насадить» на острие сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа, то получится идеальный микрозонд диаметром всего в нескольких атомов (рис. 3). Прикладывая определенное напряжение, с помощью такой иглы можно захватывать атомы или целые молекулы и как пинцетом перемещать их с места на место, а можно даже с высокой точностью производить запись и считывание информации с матрицы вплоть до плотности записи 250 Гбит/см2.

Каких только углеродных нанотрубок не синтезировали на протяжении последних 15 лет: Х- и Y-образные, расширяющиеся от одного конца к другому, покрытые «шубой» аморфного углерода или фуллереновыми «почками», а сколько новых углеродных архитектур еще будет построено в будущем!