ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ РЕВОЛЮЦИЯ В СФЕРЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНОЧАСТИЦ Д.В.Маринин Углеродныекаркасные структуры -это большие а иногда и гигантские! молекулы, состоящие исключительно изатомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - этоновая аллотропная форма углерода.Главная особенность этих молекул - это их каркаснаяформа они выглядят как замкнутые, пустые внутри оболочки . Самаязнаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен C60 Рис.1а , абсолютно неожиданное открытие, которого в 1985 году вызвало целыйбум исследований в этой области.
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 изфуллеренов и до C70, C82, C96, и выше некоторые из них показаны на Рис. .При изучении нанотрубок всплывают весьмаинтересные и удивительные качества.
Во-первых, разнообразие форм нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые Рис.2а, б и спиральные Рис.2в . Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость идаже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как нарастяжение, так и на изгиб.Более того, под действием механических напряжений, превышающихкритические, 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 и проводниками, и полупроводниками! Наконец, поражает разнообразие применений,которые уже придуманы для нанотрубок.Первое, что напрашивается само собой, этоприменение нанотрубок в качестве очень прочных микроскопических стержней инитей.
Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигаетвеличин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Правда, внастоящее 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.Поэтому есть все основания надеяться, что в скоромбудущем могут появиться нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры!Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии ведь трос толщиной с человеческий волос, способный удерживать груз в сотни килограмм,найдет себе бесчисленное множество применений. Нанотрубкимогут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструментисследования.
На основенанотрубки можно, к примеру, создать микроскопические весы. Берем нанотрубку,определяем частоту ее собственных колебаний, затем прикрепляем к нейисследуемый образец и определяем частоту колебаний нагруженной нанотрубки.
Этачастота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки ведь масса системыувеличилась, а жесткость осталась прежней. Например, былообнаружено, что груз уменьшает частоту колебаний с 3.28 МГц до 968 кГц, откудабыла получена масса груза 228фг фемтограмм, т.е. 10-15 грамм! .Необычные электрические свойствананотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники.Разработано уже и несколько примененийнанотрубок в компьютерной индустрии.
Например, созданы и опробованы прототипытонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок. Под действиемнапряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого концаначинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран ивызывают свечение пикселя.Получающееся при этом зерно изображения будетфантастически малым порядка микрона! Пустоты внутри нанотрубок и углеродныхкаркасных структур вообще также привлекают внимание.
В самом деле, а чтобудет, если внутрь фуллерена поместить атом какого-нибудь вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция т.е. внедрение атомов различныхметаллов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратитьизолятор в сверхпроводник! Оказывается можно таким жеобразом изменить свойства нанотрубок.Ученые смогли поместить внутрь нанотрубкицелую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния! На Рис схематично показанаструктура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный исследователями спомощью электронной микроскопии.
Электрические свойства такой необычнойструктуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и отсвойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Как, оказывается, много значитвалентный электрон, отдаваемый атомом металлаво всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить, что для таких соединенийразработаны специальные химические обозначения.Описанная выше структуразаписывается как Gd C60 SWNT, что означает Gd внутри C60внутри однослойной нанотрубки Single Wall NanoTube . В нанотрубки можно не только загонять атомы и молекулы поодиночке, но и буквально вливать вещество.
Как показали эксперименты, открытая нанотрубкаобладает капиллярными свойствами, то есть она как бывтягивает в себя вещество.Таким образом, нанотрубки можно использовать какмикроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активныхвеществ белков, ядовитых газов, компонентов топлива идаже расплавленных металлов.
Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже немогут выйти наружу 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 вопределенном месте организма некими микроскопическими механизмами и вскрываются в определенный момент времени.Современная технологияуже практически готова к реализации такой схемы. Также из-за высокой удельной поверхности и наличиянезаполненных объемов углеродные нанотрубки обладают повышенными сорбционнымисвойствами.
Они способны поглощать сорбировать значительное количество какгазообразного, так и жидкого вещества. Эта способность весьма привлекательнадля создания сверхминиатюрных сенсоров, способных детектировать малейшиепримеси в атмосферном воздухе.Принцип их действия основан на измененииэлектронных характеристик нанотрубок ширина запрещенной зоны, концентрация иподвижность носителей и т.п. при сорбции молекул определенного сорта.
В общем, к счастью вопрос изучения углеродныхкаркасных структур нанотрубок с каждым днем набирает свои обороты, и вкакой-то степени уже удалось пролить свет на некоторые аспекты этого вопроса.Если активно продолжать изучать свойства и способности данных веществ, то можнодостичь весьма желаемого результата и открыть еще более интересные и полезныефакты.