Перспективы розвитку та застосувань нанотехнологій. 
вуглецеві нанотрубки – революція у сфері технології наночастиц

ПЕРСПЕКТИВЫ РОЗВИТКУ І ЗАСТОСУВАННЯ НАНОТЕХНОЛОГІЙ. ВУГЛЕЦЕВІ НАНОТРУБКИ — РЕВОЛЮЦІЯ У СФЕРІ ТЕХНОЛОГІЇ НАНОЧАСТИЦ

Д.В.Маринин.

Вуглецеві каркасні структури — це великі (котрий іноді гігантські!) молекули, котрі перебувають лише з атомів вуглецю. Можна говорити навіть, що вуглецеві каркасні структури — це нова алотропна форма вуглецю. Головна особливість цих молекул — це їхнє каркасна форма: вони виглядають як замкнуті, порожні всередині «оболонки ». Найзнаменитіша з вуглецевих каркасних структур — це фулерен C60 (Рис.1а), цілком несподіваний відкриття, що його 1985 року викликало цілий бум досліджень у цій області. Наприкінці 80-х років, початку 90-х, коли розробили методика отримання фулеренів в макроскопічних кількостях, було виявлено багато інших, як більше легких, і важчих фулеренів: починаючи з C20 (мінімально можливого з фулеренів) і по C70, C82, C96, і від (окремі показані на Рис.).

Під час вивчення нанотрубок спливають дуже цікаві й дивовижні якості. По-перше, різноманітні форми: нанотрубки може бути більші поступки й маленькі, одношарові і багатошарові, прямі (Рис.2а, б) і спіральні (Рис.2в). По-друге, попри зовні тендітність і навіть ажурність, нанотрубки виявилися навдивовижу міцним матеріалом, як у розтягнення, так і вигин. Понад те, під впливом механічних напруг, перевищують критичні, нанотрубки також поводяться екстравагантно: де вони «рвуться «і не «ламаються », а просто перебудовуються! Далі, нанотрубки демонструють цілий спектр найнесподіваніших електричних, магнітних, оптичних властивостей. Наприклад, залежно від конкретної схеми згортання графітової площині, нанотрубки можуть і провідниками, і полупроводниками!

Нарешті, вражає розмаїтість застосувань, у яких придумані для нанотрубок. Перше, що напрошується звісно ж, це застосування нанотрубок як дуже міцних мікроскопічних стрижнів і ниток. Як свідчать результати експериментів і чисельного моделювання, модуль Юнга однослойной нанотрубки сягає величин порядку 1−5 ТПа, що у порядок більше, ніж в стали! Щоправда, нині максимальна довжина нанотрубок становить десятки і сотні мікронів — що, звісно, дуже велике по атомним масштабам, але дуже мало для повсякденного використання. Проте довжина нанотрубок, одержуваних у лабораторії, поступово збільшується. Тому є підстави сподіватися, що у найближчому майбутньому можуть з’явитися нанотрубки у сантиметри і навіть метри! Безумовно, це дуже стимулюватиме майбутні технології: адже «трос «завтовшки з людську волосину, здатний утримувати вантаж на сотні кілограм, знайде собі незліченну кількість застосувань. Нанотрубки можуть виступати не лише у ролі досліджуваного матеріалу, а й як інструмент дослідження. На основі нанотрубки можна, приміром, створити мікроскопічні ваги. Беремо нанотрубку, визначаємо частоту її ж таки коливань, потім прикрепляем до неї досліджуваний зразок і визначаємо частоту коливань навантаженої нанотрубки. Ця частота буде набагато меншою частоти коливань вільної нанотрубки: адже багато системи збільшилася, а жорсткість не змінилася. [Наприклад, було знайдено, що вантаж зменшує частоту коливань з 3.28 МГц до 968 кГц, звідки отримали маса вантажу 22[pic]8 фг (фемтограмм, тобто. 10−15 грамм!)].

Незвичні електричні властивості нанотрубок зроблять їх лише з основних матеріалів наноэлектроники.

Розроблено вже й кілька застосувань нанотрубок у комп’ютерній індустрії. Наприклад, вже створені і випробувані прототипи тонких пласких дисплеїв, працівників матриці з нанотрубок. Під впливом напруги, прикладываемого до жодного з кінців нанотрубки, з протилежного кінця починають испускаться електрони, яких опиняються на фосфоруючий екран і викликають світіння пикселя. Получающееся у своїй зерно зображення буде фантастично малим: порядку микрона!

Порожнини всередині нанотрубок (і вуглецевих каркасних структур взагалі) також привертають увагу. У насправді, що буде, якщо усередину фулерену помістити атом якогось речовини? Експерименти показали, що интеркаляция (тобто. впровадження) атомів різних металів змінює електричні властивості фулеренів і навіть перетворити ізолятор в надпровідник! Виявляється можна так само змінити властивості нанотрубок. Вчені змогли помістити всередину нанотрубки цілий ланцюжок з фулеренів з роботи вже запровадженими у яких атомами гадолиния! На Рис схематично показано структура такий нанотрубки і наведено знімок, отриманий дослідниками з допомогою електронної мікроскопії. Електричні властивості такий незвичайної структури дуже різнилися як від властивостей простий, порожнистої нанотрубки, і від властивостей нанотрубки з порожніми фуллеренами всередині. Як, виявляється, багато важить валентний електрон, отдаваемый атомом металу в загальне розпорядження! До речі, цікаво відзначити, що з таких сполук розроблено спеціальні хімічні позначення. Вищеописана структура записується як Gd@C60@SWNT, що означає «Gd всередині C60 всередині однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube) » .

У нанотрубки можна лише «заганяти «атоми і молекули поодинці, а й буквально «вливати «речовина. Як засвідчили експерименти, відкрита нанотрубка має капиллярными властивостями, тобто вони ніби втягує в себе речовина. Отже, нанотрубки можна використовувати як мікроскопічні контейнери для перевезення хімічно чи біологічно активних речовин: білків, отруйних газів, компонентів палива й навіть розплавлених металів. Потрапивши всередину нанотрубки, атоми чи молекули не вийти назовні: кінці нанотрубок надійно «запаяні «, а вуглецеве ароматичне кільце завузьке більшість атомів. У такому вигляді активні атоми чи молекули можна безпечно транспортувати. Потрапивши у місце призначення, нанотрубки розкриваються з однієї кінця (а операції «запаивания «і «распаивания «кінців нанотрубок вже цілком у змозі сучасної технології) і випускають своє вміст у суворо певних дозах. Це — ні, експерименти що така вже нині проводяться в багатьох лабораторіях світу. Не виключено, що за 10−20 років з урахуванням цієї технології здійснюватиметься лікування захворювань: скажімо, хворому вводять у кров заздалегідь приготовлені нанотрубки з дуже активними ферментами, ці нанотрубки збираються у певному місці організму якимись мікроскопічними механізмами і «розкриваються «в момент часу. Сучасна технологія вже готова реалізації цієї схемы.

Також через високе удільної поверхні, і наявності незаповнених обсягів вуглецеві нанотрубки мають підвищеними сорбционными властивостями. Вони здатні поглинати (сорбировать) значну кількість як газоподібного, і рідкого речовини. Ця здатність дуже приваблива до створення сверхминиатюрных сенсорів, здатних детектувати найменші домішки в атмосферному повітрі. Принцип їхньої дії будується на зміні електронних характеристик нанотрубок (ширина забороненої зони, концентрація і рухливість носіїв тощо.) при сорбції молекул певного сорта.

Загалом, на щастя питання вивчення вуглецевих каркасних структур (нанотрубок) з дня на день набирає обертів, й у якійсь мірі вже вдалося пролити світло певні аспекти цього питання. Якщо активно продовжувати вивчати властивості й уміння даних речовин, можна досягти дуже бажаного результату відкрити ще більше цікаві й придатні факты.