Нанотрубки

фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник! А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок? Оказывается, да. В работе [3] ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния! На Рис.3 схематично показана структура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный исследователями с помощью электронной микроскопии. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами 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 "Gd внутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)".

В нанотрубки можно не только "загонять" атомы и молекулы поодиночке, но и буквально "вливать" вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и "вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы.

Нанотрубки излучают чрезвычайно яркий свет.

Исследовательская группа IBM и университета Дьюка смогла превратить углеродные нанотрубки в источник инфракрасного излучения необычно высокой эффективности.

«Основным моментом нашей работы является открытие механизма электростимуляции эмиссии света единичной молекулой-нанотрубкой, - говорится в работе авторов открытия. – Данный механизм требует всего один тип носителей заряда, например электроны или дырки, эмиссия при этом локализована в небольшой области нанометрового размера. Вследствие малости излучающей области генерируется чрезвычайно яркий свет».

Ученые положили нанотрубки диаметром 2 – 3 нм на подложку методом химического осаждения из паров. При этом они перекрыли зазор кремниевого покрытия на кремниевой подложке. Электрические контакты были созданы методами электронной литографии и последующим осаждение слоя палладия толщиной 3 нм. При разности потенциалов менее –3,1 В в случае тока дырок или более –2,1 В в случае тока электронов нанотрубки излучали в инфракрасной области спектра с длиной волны 1 – 2 мкм из области в промежутке между покоящейся и «висящей» частями нанотрубки.

«В нашем устройстве ток в 3 мкА приводил к излучению 107 фотонов с площади в 1 кв. нм в 1 с, что в 105 раз больше потока фотонов с больших площадей светодиодов», - заявил один из авторов работы Хиа Чен (Jia Chen) из компании IBM.

Ученые отмечают, что возможность излучения в диапазоне 1 – 2 мкм особенно интересна, поскольку именно это излучение используется в оптических системах передачи данных. Более того – длина волны определяется геометрическим параметрами нанотрубок – в частности, их диаметром. Это открывает возможность создания устройств, излучающих в разных областях спектра, в том числе и в видимой его области.

Применение нанотрубок в электронике.

Хотя технологические применения нанотрубок, основанные на их высокой удельной поверхности, представляют значительный прикладной интерес, наиболее привлекательными представляются те направления использования нанотрубок, которые связаны с разработками в различных областях современной электроники. Такие свойства нанотрубок, как малые размеры, меняющиеся в различных пределах, в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубки в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Было рассчитано, что внедрение в идеальную структуру однослойной нанотрубки в качестве дефекта пары пятиугольник-семиугольник изменяет ее хиральность и, как следствие, ее электронные свойства. Конкретно была рассмотрена структура (8,0)/(7,1). Как следует из расчетов трубка с хиральностью (8,0) представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, в то время как трубка с хиральностью (7,1) является полуметаллом для которого ширина запрещенной зоны равна нулю. Аналогичным образом в результате внедрения дефекта могут быть получены гетеропереходы полупроводник-полупроводник с различными значениями ширины запрещенной зоны. Тем самым нанотрубка с внедренным в нее дефектом может рассматриваться как гетеропереход металл-полупроводник, который, в принципе, может составить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров.

Возможности применения нанотрубок в электронике не ограничиваются областью создания на их основе новых типов миниатюрных элементов электронных схем. Наряду с этим нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхностей таких схем. В одной из работ в данном направлении была использована многослойная нанотрубка в качестве зонда для исследования поверхности на нанометровом уровне. Преимущества использования для этой цели нанотрубок связаны с их чрезвычайно высокой механической прочностью, на которую указывают в частности, результаты прямых измерений, согласно которым модуль Юнга нанотрубок в аксиальном направлении составляет порядка 7000 ГПа, в то время как для стали и иридия, традиционно используемых для изготовления таких зондов, значение этого параметра составляет 200 и 500 ГПа соответственно.

Нанотрубки растут на лугу.

Китайские ученые разработали простой и эффективный способ получения так называемых многослойных нанотрубок.

Энбо Ван (Enbo Wang) и его коллеги нагревали обычную луговую траву при температуре 250°C в течение одного часа. Затем траву нагревали при температуре 600°C около 20 мин. в замкнутом сосуде, содержащем около 15 мл кислорода. После охлаждения сосуд снова нагревали, и эта операция повторялась около 50 раз. В конечном итоге получались нанотрубки с диаметром от 30 до 50 нм и длиной около 1 мкм, причем с высокой эффективностью — средний выход продукта достигал 15%.

Новый способ синтеза нанотрубок был разработан на основе недавно открытого эффекта влияния воды, которая упрощает синтез и очистку наноструктурированного углерода. Китайские ученые попробовали в качестве исходного материала использовать непосредственно углеводы, при этом продуктом реакции является углерод и вода (те же продукты образуются при сжигании кусочка сахара). Многие растения, в том числе и трава, содержат своеобразный пучок трубчатых структур из целлюлозы и лигнина, которые служат для доставки жидкости в растениях.

Ученые предположили, что на первом этапе реакции (нагрев при 250°C в открытом сосуде) удаляются белковые и жировые компоненты, а при 600°C происходит дегидратация (потеря воды) в целлюлозе и превращение ее в наноструктурированный углерод. Трубчатая структура исходного материала имеет критически важное значение, потому что получить нанотрубки из куска сахара или других простых углеводов при помощи такой же тепловой обработки не удается (точнее, их выход очень мал). Нанотрубки также можно получить из дерева или конопли. Ученые надеются, что полученные нанотрубки могут быть использованы для разработки новых катализаторов.

Заключение.

Открытие углеродных нанотрубок относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками.

Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.

К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных