Заметказнакомит читателя с удивительным миром нанотрубок — углеродных структур,открытых в 1991 году и активно исследуемых в наши дни. В настоящее времявыдвинуты уже сотни различные идей применения нанотрубок в науке ипромышленности. О некоторых из этих предложений мы рассказываем в заметке,стараясь при этом подчеркнуть, какие идеи можно реализовать уже сегодня, акакие остаются пока уделом будущего.
Многиеиз перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии,наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами,нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общимтермином углеродные каркасные структуры. Что же это такое?
Углеродныекаркасные структуры — это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящиеисключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасныеструктуры — это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давноизвестным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул — это ихкаркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри«оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур — этофуллерен C60 (Рис.1а), абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 годувызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу,Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80-х, начале 90-х годов, после тогокак была разработана методика получения фуллеренов в макроскопическихколичествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и болеетяжелых фуллеренов: начиная от C20 (минимально возможного из фуллеренов) и доC70, C82, C96, и выше (некоторые из них показаны на Рис.1).
/>
Однакоразнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991году, опять-таки совершенно неожиданно, были обнаружены длинные, цилиндрическиеуглеродные образования, получившие названия нанотрубок (Рис.2). Визуально,структуру таких нанотрубок можно представить себе так: берем графитовуюплоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр(предостережение: такое сворачивание графитовой плоскости — это лишь способпредставить себе структуру нанотрубки; реально нанотрубки растут совсемпо-другому). Казалось бы, что проще — берешь графитовую плоскость исворачиваешь в цилиндр! — однако до экспериментального открытия нанотрубокникто из теоретиков их не предсказывал! Так что ученым оставалось толькоизучать их — и удивляться!
/>
Аудивительного было много. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могли бытьбольшие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые (Рис.2а, б) испиральные (Рис.2в). Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и дажеажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как нарастяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений,превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не«рвутся» и не «ломаются», а просто-напростоперестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданныхэлектрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости отконкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть ипроводниками, и полупроводниками! Может ли какой-либо иной материал с такимпростым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которымиобладают нанотрубки?!
Наконец,поражает разнообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок. Первое,что напрашивается само собой, это применение нанотрубок в качестве оченьпрочных микроскопических стержней и нитей. Как показывают результатыэкспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубкидостигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Правда,в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотнимикронов — что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало дляповседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории,постепенно увеличивается — сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровомурубежу: см. работу [1], где описан синтез многослойной нанотрубки длиной в 2мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатсявыращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры! Безусловно, это сильноповлияет на будущие технологии: ведь «трос» толщиной с человеческийволос, способный удерживать груз в сотни килограмм, найдет себе бесчисленноемножество применений.
Нанотрубкимогут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструментисследования. На основе нанотрубки можно, к примеру, создать микроскопическиевесы. Берем нанотрубку, определяем (спектроскопическими методами) частоту еесобственных колебаний, затем прикрепляем к ней исследуемый образец и определяемчастоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частотыколебаний свободной нанотрубки: ведь масса системы увеличилась, а жесткостьосталась прежней (вспомните формулу для частоты колебаний груза на пружинке).Например, в работе [2] было обнаружено, что груз уменьшает частоту колебаний с3.28 МГц до 968 кГц, откуда была получена масса груза 22 +- 8 фг (фемтограмм,т.е. 10-15 грамм!)
Другойпример, когда нанотрубка является частью физического прибора — это«насаживание» ее на острие сканирующего туннельного или атомногосилового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточеннуювольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточногрубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядканескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватыватьатомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, ипереносить их с места на место.
Необычныеэлектрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материаловнаноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов наоснове одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение нескольких вольт,ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков!
Ещеодно применение в наноэлектронике — создание полупроводниковых гетероструктур,т.е. структур типа металл/полупроводник или стык двух разных полупроводников.Теперь для изготовления такой гетероструктуры не надо будет выращивать отдельнодва материала и затем «сваривать» их друг с другом. Все, чтотребуется, это в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (аименно, заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником). Тогда одначасть нанотрубки будет металлической, а другая — полупроводником!
Разработаноуже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например,созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрицеиз нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концовнанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают нафосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерноизображения будет фантастически малым: порядка микрона!
Спомощью того же атомного микроскопа можно производить запись и считываниеинформации с матрицы, состоящей из атомов титана, лежащих на a-Al2O3 подложке.Эта идея уже также реализована экспериментально: достигнутая плотность записиинформации составляла 250 Гбит/см2. Однако в обоих этих примерах до массовогоприменения пока далеко — слишком уж дорого обходятся такие наукоемкиеновшества. Поэтому одна из самых главных задач здесь — разработать дешевуюметодику реализации этих идей.
Пустотывнутри нанотрубок (и углеродных каркасных структур вообще) также привлекаливнимание ученых. В самом деле, а что будет, если внутрь фуллерена поместитьатом какого-нибудь вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е.внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов иможет даже превратить изолятор в сверхпроводник! А можно ли таким же образомизменить свойства нанотрубок? Оказывается, да. В работе [3] ученые смоглипоместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в нихатомами гадолиния! На Рис.3 схематично показана структура такой нанотрубки иприведен снимок, полученный исследователями с помощью электронной микроскопии.Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как отсвойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустымифуллеренами внутри. Как, оказывается, много значит валентный электрон,отдаваемый атомом металла во всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить,что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения.Описанная выше структура записывается как Gd@C60@SWNT, что означает «Gdвнутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)».
/>
Внанотрубки можно не только «загонять» атомы и молекулы поодиночке, нои буквально «вливать» вещество. Как показали эксперименты, открытаянанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает всебя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать какмикроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активныхвеществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленныхметаллов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйтинаружу: концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродноеароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком видеактивные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в местоназначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции«запаивания» и «распаивания» концов нанотрубок уже вполнепод силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строгоопределенных дозах. Это — не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчаспроводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет набазе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больномувводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами,эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некимимикроскопическими механизмами и «вскрываются» в определенный моментвремени. Современная технология уже практически готова к реализации такойсхемы.
Списоклитературы
Z. Pan et al, «Very long carbon nanotubes», Nature 394(1998) 631.
electra.physics.gatech.edu/group/labs/tubelab.html
K.Hiraharaet al, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5384 и focus.aps.org/v6/st25.html — эксперименты с фуллеренами внутри нанотрубок.
www.ee.buffalo.edu/~dshaw/ee550/fall1999/yang/report/, www.rci.rutgers.edu/~rdebari/intro.html,www.pa.msu.edu/cmp/csc/ntproperties/ — сайты, посвященные исследованиюнанотрубок. Здесь можно найти множество дальнейших ссылок на оригинальныеработы, на сайты лабораторий и т.д.
И.П.Иванов
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.nsu.ru