Фуллерены и углеродные нанотрубки

 

Еще Демокрит в своей атомистической концепции Вселенной обратил внимание на то, что мир состоит из множества “кирпичиков” _ химических элементов и их соединений,различающихся между собой особыми свойствами.

Как неодинаковы свойства каждого из “кирпичей мироздания”, так неодинаковы и их истории. Одни элементы, такие,как медь, железо, сера, углерод, известны с доисторическихвремен. Возраст других измеряется только веками, несмотря нато, что ими, даже не открытыми, человечество пользовалось всегда (тот же кислород, к примеру, был открыт лишь в XVIII веке). Третьи были открыты 100_200 лет тому назад, но приобрели первостепенную важность лишь в наше время. К ним относятся уран, алюминий, бор, литий, бериллий и др.

У четвертых рабочая биография только начинается…

В 1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли совершенно неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение – фуллерен, уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. В 1996 году первооткрывателям фуллеренов присуждена Нобелевская премия.

Основой молекулы фуллерена является углерод _ этот уникальнейший химический элемент, отличающийся способностью соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного состава и строения. Из школьного курса химии вам, конечно же, известно, что углерод имеет два основных аллотропных состояния: графит и алмаз. Так вот,с открытием фуллерена, можно сказать, углерод приобрел еще одно аллотропное состояние. Для начала рассмотрим структуры молекул графита, алмаза и фуллерена.

Графит обладает слоистой структурой.Каждый его слой состоит из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом вправильные шестиугольники.

Рис 18. Структура графита

Соседние слои удерживаются вместе слабыми Ван_дер_Ваальсовыми силами. Поэтому они легко скользят друг по другу. Примером этого может служить простой карандаш-когда вы проводите графитовым стержнем по бумаге, слои постепенно “отслаиваются” друг от друга, оставляя на ней след.

Рис19. Структура алмаза

Алмаз имеет трехмерную тетраэдрическую структуру. Каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими.Все атомы в кристаллической решеткерасположены на одинаковом расстоянии (154 нм) друг от друга. Каждый из них связан с другими прямой ковалентнойсвязью и образует в кристалле, каких быразмеров он ни был, одну гигантскую макромолекулу.

Благодаря высокой энергии ковалентных связей С_С алмазобладает высочайшей прочностью и используется не только как драгоценный камень, но и в качестве сырья для изготовления металлорежущего и шлифовального инструмента (возможно, читателям доводилось слышать об алмазной обработке различных металлов).

Фуллерены получили свое название в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре (поэтому их также называют бакиболами). Фуллерен имеет каркасную структуру, оченьнапоминающую футбольный мяч, состоящий из “заплаток” пяти- и шестиугольной формы. Если представить, что в вершинах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы получим самый стабильный фуллерен С60.

В молекуле С60, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фуллеренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками и три - с пятиугольниками.

Рис 20. Структура

фуллерена

 

Структура молекулы фуллерена интересна тем, что внутри такого углеродного “мячика” образуется полость, в которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, например, возможность их безопасной транспортировки.

По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов углерода _ от 36 до 540.

Рис 21. Представители фуллеренов а) С60 b) C70 c) C90

 

Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году японский профессор Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получившие названия нанотрубок.

Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис 22. Структура нанотрубки

 

Структуру нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и “склеиваем”ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут совсем по_другому). Казалось бы, что может быть проще – берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до

экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изучать их и удивляться.

А удивляться было чему – ведь эти изумительные нанотрубки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса оказались на редкость прочным материалом. Нанотрубки в 50_100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга-уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки

не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не “рвутся”, не “ломаются”, а просто_напросто перестраиваются!

Эти необычные свойства нанотрубок можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть вдесятеро сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микрон – что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина получаемых нанотрубок постепенно увеличивается-сейчас ученые уже вплотную подошли к сантиметровому рубежу. Полиучены многослойные нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в ближайшем будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в метры и даже сотни метров.

Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии:

ведь невидимый невооруженным взглядом “трос” в тысячи раз тоньше человеческого волоса и способный удерживать груз в сотни килограмм найдет бесчисленное множество применений.

Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических,магнитных, оптических свойств.

Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ.

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок давно привлекали внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрьфуллерена внедрить атом какого_нибудь вещества (этот процесс носит название “интеркаляция”, т.е. “внедрение”), то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник!

А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок?

Оказывается, да. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. 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)”.

Может ли какой_либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств,которыми обладают нанотрубки? Спектр их возможного применения очень широк. Вот лишь несколько примеров.

Из нанотрубок можно делать, например, уникальные провода для микроприборов. Уникальность их заключается в том,что ток протекает по ним практически без выделения тепла и достигает громадного значения – 107 А/см2. Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился.       Разработано также несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Уже в 2006 году появятся эмиссионные мониторы с плоским экраном, работающие на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, другой конец начинает испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и

вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

Другой пример – использование нанотрубки в качестве иглы сканирующего микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.

Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. На их основе изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы обеспечивают уменьшение устройств по сравнению с кремниевыми на несколько порядков. Сейчас активно обсуждается вопрос о том, в какую сторону пойдет развитие электроники после того, как возможности дальнейшей миниатюризации электронных схем на основе традиционных полупроводников будут полностью исчерпаны (это может произойти в ближайшие 5_6 лет). И нанотрубкам отводится бесспорно лидирующее положение среди перспективных претендентов на место кремния.

Еще одно применение нанотрубок в наноэлектронике-создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа “металл/полупроводник” или стык двух разных полупроводников (нанотранзисторы).

Теперь для изготовления такой структуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем “сваривать” их друг с другом. Нужно лишь в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником) просто надломив его посередине особым образом. Тогда одна часть нанотрубки будет обладать металлическими свойствами, а другая-свойствами полупроводников!

Нанотрубки – идеальный материал для безопасного хранения газов во внутренних полостях. В первую очередь это относится к водороду, который давно стали бы использовать как топливо для автомобилей, если бы громоздкие, толстостенные,тяжелые и небезопасные баллоны для хранения водорода не ли_

шали водород его главного преимущества – большого количества энергии, выделяемой на единицу массы (на 500 км пробега автомобиля требуется всего около 3 кг Н2).

Ввиду того, что запасы нефти на нашей планете не бесконечны, автомобиль на водородном топливе был бы эффективным решением многих экологических проблем. Поэтому, возможно, скоро вместо традиционного бензина новые водородные “бензобаки” с нанотрубками будут заполнять водородным топливом стационарно под давлением, а извлекать – небольшим подогревом такого “водородобака”. Чтобы превзойти обычные газовые баллоны по плотности запасенной энергии,нужны нанотрубки с полостями относительно большого диаметра – более 2–3 нм.

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 как бы втягивает вещество в себя .

Таким образом нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки и хранения 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 кольцо слишком узко для того, чтобы большинствоатомов "пролезло" через него. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях, а операции “запаивания” и “распаивания” концов нанотрубок вполне под силу современной технологии. Уже создана нанотрубка с одним закрытым концом.

Также не исключено, что через 10_15 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. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы через 3 _ 5 лет. Основной проблемой является отсутствие эффективных методов “открывания” таких механизмов и их интеграции в белковые маркеры для поиска клеток_мишеней.

Возможно, создадут и более эффективные методы доставки лекарств на основе вирусов и нанокапсул. На основе нанотрубок также создан конвейер, способный точно транспортировать отдельные атомы с большимискоростями вдоль нанотрубки.