Нанотрубки
Третья ипостась углерода
XXI век будет веком углерода. Если кто-то из читателей не согласится с этим и станет доказывать, что это будет век интернета, информационных технологий или генной инженерии, то скажем определённо - без новейших технологий, основанных на ранее неизвестных, а с житейской точки зрения просто волшебных свойствах углерода, никакой научно-технический прогресс в упомянутых областях невозможен.
Одно из самых удивительных изобретений человеческого ума – углеродные нанотрубки (УНТ). Что это такое? Это углеродная сетка, свёрнутая в трубочку, причём без каких-либо швов. А размеры этой трубки ясны из названия. Нанометр – это одна миллиардная часть метра, раньше такую малость называли миллимикроном. Но нанометр вроде бы легче выговорить.
Если взглянуть в электронный микроскоп на углеродную сетку, то можно увидеть сетчатую поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.
Это – третья ипостась, или, как говорят химики, аллотропная форма углерода. Первые две широко известны – это графит и алмаз. Если в тот же микроскоп взглянуть на алмаз, то у него грани в виде пирамидки, а у графита – квадратиком. Пирамидки дорого стоят, квадратиками можно писать и рисовать, а шестиугольники вскоре изменят наш мир до неузнаваемости. Но, впрочем, немного истории.
Впервые нанотрубки были изобретены в 1889 году, когда двум англичанам был выдан патент США на способ получения углеродных трубок из "болотного газа" – метана. Предполагалось делать из таких трубочек «угольные волоски» для электрического освещения. Согласно патенту, эти волоски, кроме полезных электрических свойств, могли быть изогнуты и скручены в любой форме, причём они возвращали свою первоначальную форму, как только снималась нагрузка.
В 60-е и 70-е годы прошлого века изготовлением и изучением нанотрубок занимались в американской лаборатории Парма в штате Огайо и Кентерберийском университете в Новой Зеландии. Но настоящий наноуглеродотрубочный бум во всём мире начался после того, как японец из лаборатории электроники транснациональной корпорации NEC Иджима сумел изготовить длинные цилиндры из таких трубок в 1991 году. Они обладали превосходящими всякое воображение свойствами.
Сегодняшние технологии позволяют изготавливать такие наноцилиндры длиной до нескольких сантиметров, а потом свивать из них нити любой длины.
Колдовство кривых связей
Даже научившись с помощью микроэлектродных технологий делать тончайшие манипуляции с углеродными молекулами, учёные очень долго не могли добиться желаемых свойств. Разгадка оказалась простой – свойства нанотрубки зависели от способа её свёртывания. То есть от взаимной ориентации шестиугольной (гексагональной) сетки графита и продольной оси трубки. Тогда ввели важнейшую структурную характеристику – «хиральность». Это слово греческого происхождения и означает оно отсутствие право-левой симметрии. Взгляните в зеркало – ваше лицо в общем-то симметрично. А если у вас «фонарь» под одним глазом – хирально. Хиральность нанотрубок – это просто две цифры – координаты той точки на сетке, которая в результате свёртывания должна совпасть с шестиугольником в начале координат.
Нанотрубки бывают однослойные и многослойные, прямые и спиральные, с открытыми и закрытыми концами. Каждая разновидность имеет свои полезные свойства, и мы о них расскажем. Если из графитовой сетки сделать многоугольник – икосаэдр – то получится фуллерен.
Фуллерены были обнаружены американскими учёными, которые получили за это Нобелевскую премию по химии. Название происходит от фамилии знаменитого американского архитектора Бакминстера Фуллера, который делал для своих зданий лёгкий и прочный «геодезический купол» – пространственную стальную сетчатую оболочку из прямых стержней, соединённых в пяти- и шестиугольники.
И нанотрубки, и фуллерены – это углеродные каркасные структуры, большие, а иногда и гигантские молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Главная особенность этих молекул – их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен C60 (атомный вес), абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80‑х – начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более лёгких, так и более тяжёлых фуллеренов: начиная от C20 (минимально возможного из фуллеренов) и до C70, C82, C96 и выше.
Ещё до экспериментального обнаружения нанотрубок и фуллеренов их существование было предсказано в результате исследований в области новой науки – квантовой химии и развития квантохимических методов исследования вещества. А возможность существования фуллеренов была теоретически обоснована в 1973 году советскими учёными.
Как оказалось, фуллеренов полно в простой саже, которая образуется на графитовых стержнях во время электросварки. Раньше этого просто никто не замечал.
В чём причина фантастических свойств каркасных форм углерода? Всё очень просто – в углероде и алмазах связи между атомами углерода расположены ортогонально, то есть под прямым углом. А в каркасных формах – все связи кривые. И это самым фантастическим образом меняет свойства, казалось бы, банального углерода.
Впрочем, углерод вовсе не банален. Это ведь полуметалл. Возьмите в руки кусочек графита или угля и повертите его на солнце. Замечаете, как блестят его грани? Как у металла. Именно из-за полуметаллизма углерода изменение геометрической ориентации его атомов до неузнаваемости меняет его свойства.
Для чего нужны нанотрубки
Космический лифт из углеродных НТ
Одностенные
и многостенные нанотрубки
Если выразиться кратко, то из нанотрубок можно делать практически всё на свете. Причём гораздо лучше. Судите сами.
Нанотрубки в сто раз прочней стали и в шесть раз легче, причём они не хрупкие, а чрезвычайно гибкие. Когда нагрузка на углеродные нанотрубки (УНТ) превышает критическую, они не ломаются, а перестраиваются. Из УНТ можно будет сделать искусственные мускулы вдесятеро сильнее биологических, не боящиеся жары, мороза и агрессивных химических веществ. Из них можно делать сверхлёгкую и сверхпрочную одежду для космонавтов и пожарных, создавать безопасные автомобили и здания, пуленепробиваемые жилеты. Нанокабель от Земли до Луны можно намотать на катушку размером с маковое зерно. Нитка диаметром 1 миллиметр из нанотрубок может выдержать груз в двадцать тонн, что в миллиарды раз больше её собственного веса.
Установлено, что под воздействием механической нагрузки нанотрубки вырабатывают электричество. Сейчас учёные всего мира работают над разработкой наноэлектромеханических систем, которые лягут в основу будущих нанороботов.
Электрические и электронные свойства нанотрубок можно менять произвольным образом. Нанотрубки похожи на пчелиные соты, свёрнутые в крошечные шланги. Если шланг скручен как сигарета, то УНТ проводит электрический ток. А если наискосок, то получится полупроводник. Проводимость УНТ намного выше (в 1000 раз), чем у меди, а значит из нанотрубок можно делать и сверхэкономичные провода и сверхминиатюрные микросхемы-чипы. Если упаковать микросхему в оболочку из нанотрубок, то можно разместить миллиарды компонентов этого чипа в крошечный объём без риска даже малейшего перегрева. Электрический ток протекает по УНТ, не выделяя тепла, и достигает гигантской величины в 10 миллионов ампер на квадратный сантиметр. Обычный проводник при таких значениях давно бы испарился.
Как известно, через несколько лет возможности миниатюризации компьютеров на основе обычных полупроводников будут исчерпаны. Многослойная структура современных микросхем состоит из чередующихся между собой транзисторов-полупроводников и токопроводящих проводников. Так вот, скоро размеры этих слоёв станут такими маленькими, что электроны будут просто пролетать их насквозь – туннелировать. И микросхемы перестанут работать.
А если сделать микросхемы из нескольких слоёв УНТ-полупроводников и УНТ-проводников, то возможности по миниатюризации становятся просто безграничными.
Ещё из нанотрубок можно делать прозрачные плоские громкоговорители, а также генераторы и двигатели. Список возможностей можно было бы продолжить, но пора рассказать о том, как эти чудо-трубки изготавливают. Ведь именно в этой сфере лежат уникальные разработки учёных РН-ЦИР.
В таблице 1 сравниваются свойства нанотрубок с другими материалами.
Именно физико-химические свойства углеродных нанотрубок являются первоочередными факторами, определяющими стимулы их практического применения. В таблице 2 представлены основные драйверы и барьеры развития мирового рынка УНТ.
Как сделать чудо-трубку
Основные драйверы рынка, расширяющие области применения УНТ, во многом определяются их свойствами, а барьеры связаны с недостатками реализуемого производственного процесса. Поэтому на сегодняшний день одним из препятствий для широкомасштабного применения и производства углеродных нанотрубок является несовершенство методов их синтеза.
УНТ получают двумя способами: возгонкой графита и пиролизом (термическим разложением при недостатке воздуха) углеводородов (CVD). В обоих случаях процессы требуют применения катализаторов.
Первая группа включает лазерную абляцию (воздействие лазерным импульсом) и электродуговой метод. Всем методам этой группы присущи серьёзные недостатки: большой расход энергии на возгонку и на последующее охлаждение паров, относительно низкий выход продукта, высокие затраты на графит, сложность автоматизации и так далее.
Пиролитические методы значительно более разнообразны. Они не требуют высоких температур, могут проводиться в непрерывном режиме, при атмосферном давлении. Как правило, здесь удаётся лучше контролировать и регулировать диаметр и длину нанотрубок. Многие варианты легко поддаются автоматизации и масштабированию. К основному недостатку данного метода относят его малопригодность для синтеза одностенных УНТ.
Всем без исключения методам присущ такой недостаток, как низкий выход продукта. Несмотря на многочисленные исследования в области оптимизации технологического процесса производства нанотрубок, повысить их объём и снизить себестоимость не удавалось.
В РН-ЦИР разработаны уникальные технологии получения как одностенных, так и многостенных углеродных трубок.
