Углеродные наноструктуры в природе и в изделиях ремесленников

Различные каркасные углеродные наноструктуры встречаются и в природе. В 1992 г. в природном углеродном материале шунгите (от названия поселка в Карелии - Шуньга) были обнаружены природные углеродные нанотрубки, в 1993 г. в шунгитах были найдены фуллерены и другие микрочастицы углерода - С₇₀, нанотрубы, матрешки, луковицы.

Некоторые наноструктуры получали много веков назад умелые ремесленники, эмпирически добивавшиеся высокого качества своих изделий. Естественно, что эти наноструктуры они наблюдать не могли, им был важен практический результат. В 2006 г. немецкие кристаллографы, пытавшиеся разгадать утраченный рецепт изготовления дамасских клинков, обнаружили в их лезвии углеродные нанотрубки и нановолокна из цементита (карбида железа). Они предполагают, что эти структуры образовывались в сложном процессе обжига и ковки. Хороший дамасский клинок должен был рассекать падающий на него лоскуток шелка.

Заметим, что структуры, аналогичные нанотрубкам, встречаются среди вирусов [1, 5].

Перспективы применения фуллеренов и нанотрубок

К оммерческое применение фуллеренов пока сдерживается их высокой стоимостью, которая складывается из трудоемкости получения фуллереновой смеси и трудности выделения из нее отдельных компонентов с одинаковой структурой и свойствами. Скорее всего, в первую очередь будут развиваться те направления, в которых можно использовать массивы нанотрубок (композиционные материалы, сенсоры, защитные покрытия и пр.).

П о данным на апрель 2007 г., в мире выпускаются уже четыре косметических крема, содержащих фуллерены (японская, английская, американская фирмы). Публиковались отдельные данные о токсичности нанотрубок и фуллеренов, что заставило осторожно относиться к ним как к контейнерам для лекарств. Однако выяснилась недостоверность этих данных, связанная с недостаточной чистотой эксперимента. Другие эксперименты показали, что сам фуллерен не только не токсичен, но в ряде случаев проявляет в организме защитные свойства в качестве антиоксиданта.

Кроме углеродных, созданы и исследуются фуллереноподобные наночастицы и нанотрубки нитрида бора (рис. 6 на цветной вклейке), карбида кремния, карбида бора и других соединений, содержащих бор, молибден, ниобий, азот, углерод, и обладающие своеобразными свойствами и перспективами использования. Нитрид бора, подобно углероду, имеет гексагональную электронную структуру, похожую на графит. Так как в природе существует огромное количество слоистых неорганических кристаллов, можно предсказать синтез разнообразных фуллереноподобных наноструктур и нанотрубок.

К ак всегда в науке, сработал «спусковой механизм», вызванный в данном случае открытием углеродных каркасных структур. Недавно появилось сообщение о получении нового наноматериала - графена (рис. 4.9). Он имеет структуру, аналогичную графиту, в виде пленок атомарной толщины. Получившие его английские и российские ученые сравнивают графен с «развернутой» углеродной нанотрубкой или единичным слоем графита. Высокая проводимость и особенности структуры графена делают его соперником крем

С каждым днём появляются новые публикации о возможностях применения удивительных каркасных наноструктур. Из экзотических объектов фуллерены и нанотрубки быстро превращаются в коммерческие продукты, что подтверждается резким ростом патентов в этой области. Об интересах промышленности в разных областях применения углеродных нанотрубок можно судить по диаграмме (рис. 4.10).

Лекция: Фотонные кристаллы - оптические сверхрешетки