Многие десятилетия ученый мир был уверен: углерод существует лишь в трех формах — уголь, графит и алмаз. Однако в 1985 году была открыта еще одна, четвертая, форма углерода — полые шары-фуллерены, состоящие из 60 и более атомов углерода. С той поры исследователи открывают и синтезируют все новые формы и виды углеродных структур. Вот, например, что пишет по этому поводу авторитетный научный журнал «Nature».
Фуллерены принято причислять к довольно обширному классу наноструктур — то есть образований, размеры которых не превосходят миллиардных долей метра. Тут фигурируют множество частиц — от малых «шариков», состоящих из нескольких десятков атомов углерода, до гигантских по понятиям наномира многооболочечных фуллеренов — так называемых углеродных «луковиц», состоящих из сотен и даже тысяч атомов.
Некоторые исследователи, например, доктор химических наук А.Л. Ивановский, даже говорят о том, что сейчас можно составить своего рода периодическую систему фуллереновых элементов. Синтезированы уже фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы разных видов…
Более того, в 1991 году были открыты полые нанотрубки, и все началось снова. Число работ и публикаций, посвященных и этим углеродным наноструктурам, перевалило за многие сотни. Из уникальных объектов загадочного наномира они за последние годы превратились во вполне привычные объекты научных исследований, которые находят все большее практическое применение. Помимо множества разнообразных нанотрубок, существуют и их ассоциаты — «жгуты», кристаллы и т. д.
Из нанотрубок получают также очень интересные материалы, например, уникальной прочности нанобумагу или нанонитки, которые в 50 — 100 раз прочнее стали. Собираются наладить и производство канатов для космических «лифтов».
Так выглядят пиподы под оком электронного микроскопа.
Некоторое время «наноклубки»-фуллерены и нанотрубки использовали порознь. А уже в XXI веке исследователям пришлось удивиться еще раз. Оказалось, что фуллерены и нанотрубки могут реагировать не только с себе подобными, но и друг с другом. При этом возникают симбиозные структуры — нанотрубки, внутри которых находятся фуллерены.
Впервые такую структуру обнаружили с помощью электронного микроскопа американские исследователи в 1998 году, когда изучали материал, полученный при лазерном испарении графита при наличии металлических катализаторов. На снимках они увидели нечто вроде рентгенограмм горохового стручка, трубка которого заполнена горошинами-фуллеренами. В специальной литературе такие наноструктуры вскоре стали называть «углеродными пиподами»; peapods в переводе с английского — горошины в стручках.
Фуллерены внутри нанотрубок при малом увеличении и не рассмотришь…
Новый объект, конечно же, поставил перед учеными новые вопросы. Как наладить технологию получения пиподов? Все ли фуллерены и трубки могут образовывать такие формы? Можно ли делать из пиподов что-нибудь полезное?..
Ответить на эти и другие подобные им вопросы попытались профессор Али Яздани и его студент Даниэль Хамбакер из Университета Иллинойса, профессор Дэвид Луззи и его группа из Университета Пенсильвании и некоторые другие исследователи. Благодаря предварительной теории пиподов, предложенной профессором физики Еуджином Мейлом совместно с иллинойской группой исследователей, вскоре стало понятно, что наибольший научный и практический интерес представляют те материалы, которые имеют постоянные характеристики. А вот пиподы, полученные 8 первых экспериментах, стандартам не отвечали. Все дело в том, что количество «горошин» в «стручках» было различным. Зачастую они заполняли всего лишь 5 — 10 % пространства нанотрубок, располагались по принципу «то густо, то пусто». Кроме того, в одной трубке могли оказаться «горошины» разных размеров. В общем, прежде чем изучать пиподы, находить им практическое применение, требовалось наладить такие методы их синтеза, при которых бы трубки одного диаметра заполнялись стандартным количеством фуллеренов одного типа и размера.
Довольно скоро выяснилось, что лучше всего для производства пиподов подходят нанотрубки диаметром от 1,3 до 1,5 нм. Если диаметр трубки меньше, то шарики-фуллерены в ней деформируются. В чересчур же больших трубках шарики не размещаются по центру, прилипают к стенкам, что опять-таки сказывается на качестве пипода.
Модель идеального пипода — это цепь фуллеренов [С60]°°, то есть шарики, имеющие по 60 атомов углерода, которые расположены по оси цилиндрической углеродной трубки бесконечной длины. Расстояние между центрами соседних фуллеренов составляет около 0,97 нм, а расстояние между фуллереном и стенкой трубки — 0,35 нм.
Впрочем, внутри трубок могут помещаться и более крупные фуллерены, не обязательно имеющие строго сферическую форму. При нагревании до температуры выше 800 °C, соседние фуллерены могут слипаться, образуя димеры, тримеры, а затем превращаются в вытянутые нанокапсулы и трубчатые фрагменты цилиндрической формы. Когда температура достигает 1200 °C, отдельные фуллерены практически полностью исчезают, а пипод превращается в коаксиальную трубку — две углеродные трубки, вложенные одна в другую.
Таких превращений технологи добиваются при облучении нанотрубок лазером или электронным пучком, в присутствии металлических катализаторов (например, калия). При этом, как выяснилось, слипание фуллеренов происходит только внутри трубки-стручка, которая служит своего рода нанореактором. А это, в свою очередь, наводит на мысль, что подобным образом можно изготовлять, скажем, нанокабели — тончайшие проводники, расположенные внутри изолирующей оболочки.
Словом, пиподы на сегодняшний день — весьма перспективные структуры для наноэлектроники, производства нанодиодов, транзисторов, логических схем…
И список этот еще далеко не закрыт…
В.ЧЕТВЕРГОВ
