Итак, если подвести итого, то возможные применения нанотрубок следующие

А. Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

Б. Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

В. Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

Г. Оптические применения: дисплеи, светодиоды

Д. Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

Д. Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Е. Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей.

Особое место среди наноструктурированных твёрдых тел занимают также графены.

В Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике за 2010 год. Ими стали 52-летний профессор Андрей Гейм и 36-летний профессор Константин Новосёлов (рис.49). Оба лауреата, работающие в британском университете Манчестера, выходцы из России. Они получили премию за «Инновационные эксперименты с двумерной формой углерода — графеном». Самой престижной в мире научной премии, размер которой составляет в этом году около 1,5 миллионов долларов, учёные удостоены за открытие графена - сверхтонкого и крайне прочного материала, представляющего собой углеродную пленку толщиной в один атом.

Рис. 49. Лауреаты Нобелевской премии по физике за 2010 год профессора Андрей Гейм и Константин Новосёлов.

Графен (от англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку (рис.50).

Рис. 50. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку

Хотя графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку, его удобно представить в виде одного слоя углеродных атомов, образующих слоистую структуру графита (как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла). В этом случае кристаллическая решётка графена (рис. 51) представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть является двумерной гексагональной кристаллической решёткой.

Рис. 51. Изображение гексагональной решётки графена. Жёлтым цветом показана элементарная ячейка, красным и зелёным цветами показаны узлы различных подрешёток кристалла. e₁ и e₂ — вектора трансляций

В элементарной ячейке кристалла находятся два атома, обозначенные на рис.51, как A и B. Каждый из этих атомов при сдвиге на вектора трансляций (любой вектор вида , где m и n — любые целые числа) образует подрешётку из эквивалентных ему атомов, то есть свойства кристалла независимы от точек наблюдения, расположенных в эквивалентных узлах кристалла. На рисунке 51 представлены две подрешётки атомов, закрашенные разными цветами: зелёным и красным.

Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом. Миллиарды таких слоев образуют графит, из которого делают грифели для карандашей. Возможность отделить один слой никто не верил. Семьдесят лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что таких материалов существовать не может: силы взаимодействия между атомами должны смять их в гармошку или свернуть в трубочку.

Графен оказался исключением из этого правила. Профессора Гейм и Новоселов обратили внимание на обычный скотч, с помощью которого готовят образцы графита для работы на сканирующем туннельном микроскопе. Скотч отрывает графитные слои, оставляя абсолютно гладкую поверхность. Ленту выбрасывают вместе с тем, что к ней прилипло. «За то, что мы ее подобрали и исследовали, нас обозвали garbage scientists — мусорными учеными», — смеется Новоселов. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, Новоселов получил то, что считалось невозможным, — слои графита толщиной в один атом (рис.52). Их площадь достигала одного квадратного миллиметра: этого более чем достаточно, чтобы перенести графен на подложку и исследовать механические и электронные свойства.

Рис.52. Константин Новоселов демонстрирует, как ему удалось получить графен с помощью обыкновенного скотча

У графена оказались свойства, которых нет ни у одного материала.

А. Графеновый сорбент химически инертен, электропроводен, гидрофобен (краевой угол смачивания более 90 градусов), устойчив к агрессивным средам, экологически чист. Содержание углерода не менее 99,5%. Удельная поверхность – 700—1300 м² на 1 г. Удельный объём пор графенового сорбента – 30—60 см³ на 1 г. Диапазон рабочих температур: от -60°С до +3000°С.

Б. Графен очень прочен и гибок, так как его структура «соткана» из прочных сигма – связей sp² -гибридных электронных орбиталей и имеет очень мало дефектов. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5×10³ Вт·м⁻¹·К⁻¹ соответственно). Графен может упруго растягиваться почти на 20% - больше, чем какой-либо иной кристалл. Графен сжимается при нагревании. Графен умудряется совмещать высокую хрупкость и изгибаемость (он легко образует складки).

В. Графен не пропускает газы, даже гелий. Для тех, кто имел дело с вакуумной техникой - это вообще чуть ли не нонсенс. Ведь газы «натекают» в вакуум даже сквозь сантиметровые металлические стенки, и это приходится учитывать при расчете вакуумных систем. Гелий (атомы гелия обладают самым маленьким радиусом) вообще вытекает из герметичных воздушных шариков, просто просачиваясь сквозь резину. А одноатомный слой графена всё это держит.

Г. Высокая подвижность носителей заряда в графене делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях современной электроники. В настоящее время большинство ученых сходятся во мнении, что углеродные материалы в недалеком будущем придут на смену кремнию в микроэлектронной промышленности. В частности, графен может составить будущую основу быстродействующей наноэлектроники и стать возможной заменой кремния в интегральных микросхемах. Это означает начало прямого наступления графена на область, где раньше безраздельно властвовал кремний.

Известно, что в настоящее время современная полупроводниковая индустрия использует почти всю Периодическую таблицу, создавая материалы от диэлектриков до полупроводников и металлов. Было бы заманчивым, если бы только один материал можно было модифицировать так, что он покрывал весь спектр электрических свойств, необходимых для применений в электронике. С помощью графена эту идею можно сделать реальностью. Дело в том, что графен уникален тем, что благодаря своей двумерной структуре может проявлять как свойства проводника, причем очень хорошего, так и полупроводниковые свойства. Следовательно, на графеновой подложке контакты могут быть сделаны из  высокопроводящего «чистого» графена, в то время как другие участки, модифицированные химически, можно сделать полупроводниковыми и они будут работать как транзисторы.

В графене исключительно высокая подвижность носителей заряда, возникающая из-за того, что движение электронов на дистанциях в микроны даже при комнатных температурах является баллистическим (не диффузным). Поэтому с графеном связывают надежды на создание нового типа сверхбыстрой электроники на основе графеновых биполярных транзисторов, работающих до терагерцовых частот. Полагают, что благодаря достижениям в данной области в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм. Поскольку в графене подвижность 10⁴ см²·В⁻¹·с⁻¹ выше чем в кремнии, используемом в микроэлектронике, то быстродействие таких транзисторов будет заметно выше.

Взгляды многих ученых устремлены в сторону двумерного углеродного материала и по той причине, что компании-производители микроэлектроники постепенно подбираются к так называемому квантовому порогу в изготовлении микрочипов из кремния. Поэтому они ищут направления дальнейшего развития наноразмерных электронных устройств. Оказалось, что использование графена позволяет обратить мешающие в других случаях наноразмерные квантовые эффекты во благо.

Манчестерской группе удалось сделать одноэлектронный транзистор (SET) – потенциальный единичный элемент графеновых микросхем будущего. При этом ученым удалось показать работоспособность подобного рода электронных устройств уже при комнатной температуре и выявить эффекты, которые позволяют минимизировать потребляемую мощность и рабочие напряжения интегральных микросхем будущего.

Основу одноэлектронного графенового SET транзистора составляет квантовая точка, вырезанная из листа графена (этот объект еще называют «квантовым островом», поскольку он является частью большого графенового листа, с которым соединяется через очень тонкие электроды). Как только размеры этого «острова» становятся достаточно маленькими, его электрические свойства начинают проявлять сильный квантовый размерный эффект, который и лежит в основе работоспособности одноэлектронного графенового транзистора. Носитель заряда, оказавшись внутри квантовой точки-острова, не только не может выбраться оттуда самостоятельно, но и не позволяет новым электронам стечь с электродов в область квантового острова. Это явление, обусловленное электростатическим взаимодействием заряженных частиц, называется кулоновской блокадой.

Надо иметь в виду, что носители заряда в графене по своим свойствам отличаются от носителей заряда в обычных металлах и полупроводниках. Обычные электроны обладают массой, и скорость их движения в проводнике то увеличивается, то уменьшается – это происходит, например, при соударениях с атомами в узлах кристаллической решетки твердого тела. «Графеновые» электроны движутся всегда с постоянной скоростью, не зависящей от их кинетической энергии. Таким образом, электроны в графене ведут себя, как безмассовые частицы (известны безмассовые фотоны, ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино). Часто говорят, что эффективная масса электронов и дырок в графене вблизи точки соприкосновения зон равна нулю. Но здесь стоит заметить, что, несмотря на сходство фотонов и безмассовых носителей, в графене существует несколько существенных различий, делающих носители в графене уникальными по своей физической природе, а именно: электроны и дырки заряжены (являются фермионами). В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет. В этой связи считается, что на основе графена можно сконструировать баллистический транзистор.

В зонной структуре графена отсутствует запрещённая зона. Из-за отсутствия запрещённой зоны использовать напрямую графен в этом материале для создания полевого транзистора. В этом случае нельзя добиться существенной разности в сопротивлении при любых приложенных напряжениях к затвору, то есть не получается задать два состояния пригодных для двоичной логики: проводящее и непроводящее. Тем не менее, различные группы исследователей уже предлагают каким-нибудь образом можно создавать запрещённую зону достаточной ширины при рабочей температуре и на этой основе создают модифицированные варианты подобных транзисторов на графене.

Д. Ещё одна перспективная область применения графена — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах), которые применяются в качестве перезаряжаемых источников тока. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг).

Е. Следующая область применения графена заключается в использовании его в качестве детектора летучих органических веществ и очень чувствительного сенсора (датчика) для обнаружения отдельных молекул химических веществ, например, NH₃, CO, H₂O, NO₂.

Для получения детектора используют графеновые листы, очистив их от примесей (рис.53).

Рис.53. Изображение того, как устроен детектор органических летучих веществ, выполненный на графене

Затем каждый такой кусочек пропитывают раствором одноцепочечной ДНК. Поместив детектор в камеру, на него подавали азот и то вещество, которое устройство должно было обнаружить. О появлении органических соединений сигнализировали изменения электрического сопротивления графена. Оно происходило тогда, когда ДНК на поверхности углерода соприкасалась с «налипающими» молекулами вещества. При этом каждая модификация ДНК немного по-разному реагировала на каждое летучее органическое вещество. Датчик успешно прошёл тесты, менее чем за 10 секунд обнаружив каждое вещество из контрольного набора (в него вошли диметилметилфосфонат, пропионовая кислота, метанол, октаналь, нональ и деканаль). Для очищения поверхности и возврата в исходное состояние, как выяснилось, такому детектору требуется всего 30 секунд.

Для обнаружения отдельных молекул азота может быть использован несколько иной сенсор размером 1 мкм × 1 мкм. Принцип действия этого сенсора заключается в том, что разные молекулы могут выступать как доноры и акцепторы, что в свою очередь ведёт к изменению сопротивления графена. В частности молекула NO₂ является хорошим акцептором из-за своих парамагнитных свойств, а диамагнитная молекула N₂O₄ создаёт уровень близко к точке электронейтральности. По этой причине удается классифицировать молекулярные соединения азота.

Эксперимент 9. Изучение основных представлений о наномире

Задание 12.

1. Кратко сформулируйте, почему человек стремится познать «тайны» наномира. Какие преимущества дает использование свойств наномира и какие перспективы это открывает для нанотехнологий?

2.Посмотрите фильм http://www.nanonewsnet.ru/help/video/binom/bogdanov

Кратко сформулируйте, какими особенностями и достоинствами обладает наномир.