Нанотехнологии вчера, сегодня, завтра

 

Рис. 3. Наноразмерные слоистые частицы монтмориллонита, модифицированного фторуглеродными соединениями

 

Одним из главных  химических элементов, которым интересуются ученые в области нанотехнологий, является углерод и его аллотропные  формы. До недавнего времени было известно, что углерод образует четыре аллотропных формы - алмаз, графит, карбин (получен искусственно) и лонсдеилит (впервые найден в метеоритах, затем получен искусственно). При этом уже на этапе перехода углерода от обыкновенного угля до графита отмечаются значительные изменения свойств материала.

В 1985 году Р. Керл, Г. Крото и Р. Смоли совершенно неожиданно открыли принципиально новое углеродное соединение - фуллерен (многоатомные молекулы углерода С_n), уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. Фуллерен имеет каркасную структуру, очень напоминающую 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 (молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией, несвойственной неорганическим соединениям в природе, поэтому признано, что молекула фуллерена является органической молекулой).

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. Каждый атом углерода в молекуле С₆₀ находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки - 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ - 0,357 нм. 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. 4. Представители фуллеренов: С₆₀, C₇₀, и C₉₀

 

Наряду со сфероидальными углеродными  структурами могут также образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств. Идеальная углеродная нанотрубка - это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

 

Рис. 5. Структура нанотрубки

 

Графен как наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Новый материал назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток.

В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев - либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось. Такие многослойные структуры получили названия "луковичные структуры" - онионы.

В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика (небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т). Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся", не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются! Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, они способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях.

Углерод - не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.

Благодаря постоянному развитию нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания самых разнообразных форм и разновидностей объектов, которые вследствие указанных выше геометрических характеристик будут отнесены к наноматериалам.

 

_{3. Некоторые свойства наноструктур}

 

Первым и самым главным признаком наночастиц является их геометрический размер - протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств частиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.

Именно размерными эффектами определяются многие уникальные свойства наноматериалов. Для различных характеристик (механических, электрических и др.) критический размер может быть различным, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Например, электропроводность начинает зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и менее.

Доля атомов, находящихся в поверхностном  слое (толщиной около 1 нм), естественно, растет с уменьшением размера частиц вещества. Поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от "внутренних" атомов, поскольку они связаны с соседями иначе, чем внутри вещества. В результате на поверхности велика вероятность протекания процессов изменения структурного расположения атомов и их свойств. В результате поверхность (или межфазная граница) рассматривается как некое новое состояние вещества.

Учитывая абсолютные размеры наночастиц, с определенными допущениями  можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. Например, нанотрубки имеют высокую удельную плотность поверхности, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое. Кроме того, расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (0,335 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы водорода) могли заполнять их межстенное пространство, которое образует уникальную емкость для хранения газообразных, жидких и даже твердых веществ. Нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки достигает 70·10⁵ МПа (у легированной стали он равен 2,1·10⁵ МПа, а у наиболее упругого металла иттрия - 5,2·10⁵ МПа). Кроме того, однослойные нанотрубки имеют высокую (до 16%) эластичность, то есть способность оказывать влияющей на них силе механическое сопротивление и принимать исходное состояние после ее снятия. Наиболее типична для многослойных нанотрубок структура "русская матрешка" - в них трубки меньшего размера вложены в более крупные. Эксперименты сейчас достигли такого технического уровня, что с помощью специального манипулятора можно вытянуть внутренние слои, оставив внешние слои фиксированными (Рис.6).

 

Рис. 6. Исследование свойств нанотрубок: 1 – опытная нанотрубка; 2 – нанотрубка после удаления внешних слоев на вершине; 3 – положение после снятия нагрузки нанотрубка с внутренними слоями, вытянутыми при помощи специального наноманипулятора; 4 – релаксация (возврат) внутренних слоев нанотрубки в исходное

 

Нанотрубка удлиняется подобно удочке, приобретая коническую со ступеньками форму. Трубку укрепляют с одного конца и снимают с нее несколько слоев вблизи вершины, чтобы открыть кончик, за который можно "ухватиться". Затем к заостренному концу подводят манипулятор, двигая которым, можно удлинять или укорачивать трубку, вытягивая внутренние слои из внешней оболочки. Если удалить манипулятор, вытянутая часть возвращается под действием сил притяжения Ван-дер-Ваальса, как пружина. Это указывает на уникальные свойства нанотрубок.

Таким образом, многослойная углеродная нанотрубка является великолепным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть оставить неподвижной, а внешнюю заставить вращаться, можно получить почти идеальный подшипник скольжения, в котором поверхность скольжения атомно-гладкая, а силы взаимодействия между поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса), т.е. силы трения очень слабые.

С другой стороны, при высоких давлениях  фуллерен С₆₀ становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству С₆₀ можно использовать в качестве твердой смазки.

Другое уникальное свойство наноструктур - квантовые эффекты и необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой  соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может  беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном направлении, ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии. Это явление получило название квантового ограничения.

Так, с одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью, а с другой стороны, большинство трубок - это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно, например, значительно увеличить плотность записи запоминающих устройств.

Итак, наночастицы обладают комплексом самых уникальных свойств. Многие из них еще изучены не полностью, а другие, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают перед человечеством возможности принципиального изменения современного состояния науки и техники.

_{4. Получение искусственных наноматериалов}

 

Сегодня разработано много методов  получения углеродных наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результате химических превращений углеродсодержащих материалов в условиях повышенных температур. Рассмотрим несколько наиболее популярных методов.

Электродуговое распыление графит.

Это самый распространенный метод, разработанный. Именно так японский ученый С. Иджима впервые получил нанотрубки в 1991 году. Суть метода такова: в камере, заполненной инертным газом, между графитовыми электродами горит электрический разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стенки камеры охлаждаются при помощи воды или жидкого азота.

 

Рис. 7. Схема установки для получения нанотрубок и фуллеренов

 

При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25-35 В  температура образующейся между  электродами плазмы достигает 4000 К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы¹ и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода.

Рассматривая этот осадок в электронный  микроскоп, можно увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры - фуллерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая графит, сажу и фуллерены, осаждается на холодные стенки камеры, а часть, содержащая графит и нанотрубки, - на катод.

Лазерное испарение графита.

В этом методе испаряемый лазером  графит конденсируется на охлаждаемом  коллекторе. Графитовая мишень расположена в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с температурой 1000°С. Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается буферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром сфокусированного пучка около 1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей области и осаждаются на поверхности охлаждаемого коллектора. В получаемом осадке помимо наночастиц графита обнаруживаются также фуллерены и нанотрубки.

 

Рис. 8. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок лазерным испарением графита

 

Достоинство данного метода - возможность получения нанотрубок с заданными структурными параметрами. Недостаток - невысокая производительность и трудность масштабирования.

 

 

Рис. 9. Схема установки для получения фуллеренов и нанотрубок химическим осаждением из пара

 

Сегодня получение нанотрубок в  количествах, достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема теперь состоит в снижении их себестоимости и получении в промышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше методы не позволяют достичь этого. С этой точки зрения интересен третий метод, разработанный российскими учеными под руководством М.М. Томишко.

Метод химического осаждения  из пара.

Этот наиболее практичный и массовый способ получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осаждении  углеродсодержащего газа на поверхности  горячего металлического катализатора.

Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена или метана с азотом) пропускается сквозь кварцевую трубку, помещенную в печь при температуре около 700-1000°С. В трубке находится керамический тигель² с катализатором - металлическим порошком. Разложение углеводорода, происходящее в результате химической реакции атомов газа с атомами металла, приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десятков микрон. Как видно из описания, при всех методах получения фуллеренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака - сажу, частицы аморфного графита, а в случае использования катализаторов - частицы металлов. Для повышения чистоты полученного продукта используют различные методы очистки - как механические (фильтрация, обработка ультразвуком), так и химические (промывание в химически активных веществах, нагревание).