нанотрубка, углеродная сокр., УНТ (англ. carbon nanotube сокр., CNT; SWNT; MWNT) — полая цилиндрическая структура диаметром от десятых до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сотен микрометров и более, образованная атомами углерода и представляющая собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость.

Описание

Впервые УНТ систематически описаны Сумио Ииджимой (Sumio Iijima, корпорация NEC), обнаружившим их в 1991 г. как побочный продукт синтеза фуллерена C60 [1], и, практически одновременно с ним, группой Л.А. Чернозатонского [2]. Упоминания о существовании схожих по морфологии необычных форм углерода встречались и раньше [3, 4], однако дальнейшего развития эти работы тогда не получили.

Свертка графенового листа в однородный по длине цилиндр может происходить вдоль различных направлений, вследствие чего номенклатура нанотрубок весьма обширна. Однослойные нанотрубки характеризуются так называемым хиральным вектором (n,m), соединяющим пары атомов, совпадающие при такой умозрительной свертке, где числа n и m являются координатами данного вектора в кристаллографическом базисе графенового листа и n ≥ m. В зависимости от n и m электронные свойства нанотрубок существенно различаются: нанотрубки, для которых nm делится на 3, проявляют металлические свойства, а все прочие — полупроводниковые, хотя с ростом диаметра нанотрубки ширина запрещенной зоны в любом случае приближается к нулю. Числа n и m однозначно определяют диаметр и зонную структура нанотрубок, на чем основаны методы характеристики нанотрубок с помощью электронной и КР-спектроскопии.

Выделяют нанотрубки типа «зигзаг», или (n, 0), и нанотрубки типа «кресло», или (n, n). Эти нанотрубки обладают зеркальной симметрией, тогда как все остальные являются хиральными. Помимо однослойных, существуют многослойные (многостенные) нанотрубки, представляющие собой несколько одностенных нанотрубок, вложенных одна в другую. Также нанотрубки подразделяют на открытые и закрытые. У последних торцы замкнуты полусферическими углеродными шапками, содержащими по шесть пятиугольных граней и являющимися половинами соответствующих молекул фуллеренов. Поскольку большая кривизна этих шапок обуславливает их повышенную реакционную способность, закрытые нанотрубки можно преобразовать в открытые окислительным путем.

Известно несколько методов получения нанотрубок. Изначально их получали электродуговым способам, подобно фуллеренам, что приводило к смесям однослойных и многослойных нанотрубок. Затем был предложен метод лазерной абляции (см. импульсное лазерное напыление) графита в присутствии частиц металла (кобальта, никеля), выступающих в качестве катализатора. Этот способ позволил получать преимущественно одностенные нанотрубки со сравнительно узким распределением по диаметрам и большим выходом.

В последнее время наиболее активно развиваются подходы, основанные на осаждении из газовой фазы, которые считаются наиболее коммерчески перспективными. Они базируются на термическом разложении углерод-содержащих газов (монооксида углерода, низших углеводородов и спиртов или более сложных молекул) на каталитических наночастицах металлов, приводящем к зарождению нанотрубок и, в дальнейшем, их росту «с основания».

При использовании осаждения из плазмы направление роста нанотрубок может быть ориентировано с помощью электрического поля. С помощью осаждения из газовой фазы получают плотные линейно ориентированные массивы нанотрубок толщиной (высотой массива) до миллиметров с возможностью контроля типа образующихся нанотрубок.

Весьма актуальным является вопрос разделения нанотрубок, поскольку для конкретных применений могут быть нужны нанотрубки определенного типа (например, металлические или полупроводниковые) и не слипающиеся в пучки, которые могут быть достаточно прочно связаны за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий по всей длине трубок. Известны способы разделения, основанные на центрифугировании, электрофорезе, хроматографии и т.п.

Для получения одиночных трубок используют различные ПАВ и даже комплексы нанотрубка–ДНК. Возможно, что многие трудности в этой области будут преодолены в результате совершенствования методик направленного каталитического синтеза нанотрубок нужных типов.

Возможные применения нанотрубок весьма обширны, поскольку нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными, оптическими и механическими свойствами. В частности, УНТ на порядок прочнее стали; модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает значения порядка 1–5 ТПа, в связи с чем широко исследуется влияние добавок нанотрубок на прочностные характеристики материалов. На основе нанотрубок создаются диоды и полевые транзисторы, плотность тока в металлических нанотрубках может на порядки превышать соответствующие величины для металлов.

Особенно перспективными материалами для молекулярной электроники могли бы стать дефектные нанотрубки, в которых дефектный участок соединяет нанотрубки разных типов или даже образует тройные (разветвляющиеся) контакты.

Исследуется применение нанотрубок в новых сверхпрочных и сверхлегких композиционных материалах. Нанотрубки используются в качестве игл в сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из углеродных нанотрубок. При этом важным отличием нанотрубок от многих традиционных материалов является анизотропия их свойств: при чрезвычайно высоких проводимости и теплопроводности вдоль оси нанотрубки, в поперечных направлениях они проявляют скорее изолирующие свойства.

Также разрабатываются технологии применения УНТ в биомедицине и криминалистике. Однако известны работы, свидетельствующие о токсичности нанотрубок для организма.

Иллюстрации

Углеродные нанотрубки, обнаруженные в 1952 г. сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В.М.
Углеродные нанотрубки, обнаруженные в 1952 г. сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В.М. Лукъяновичем [3].

Авторы

  • Гольдт Илья Валерьевич
  • Шляхтин Олег Александрович
  • Иоффе Илья Нафтольевич

Источники

  1. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56.
  2. Косаковская Я. и др. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. Т. 56. С. 26.
  3. Радушкевич Л. В., Лукьянович В.М. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте // ЖФХ. 1952. Т. 26. С. 88.
  4. Oberlin A. et al. High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers // Carbon. 1976. V. 14. P. 133.
  5. Англо-русский терминологический словарь по микро- и наносистемной технике / Под ред. П. П. Мальцева. — М: Техносфера, 2008. С. 432.

Напишите нам