Перспективные сферы применения нанотрубок
Широкое применение в материаловедении при капсулировании внутрь нанотрубок сверхпроводящих кристаллов; пористый материал в фильтрах; несущая подложка для осуществления гетерогенного катализа; электроды для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью; покрытие, способствующее образованию алмазной пленки; основа будущих элементов микроэлектроники; гетеропереход металл-полупроводник – основа полупроводникового элемента рекордно малых размеров; основа тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем; использование нанотрубки при заполнении ее различными материалами.
Применение в наноробототехнике
Для наноробототехники наиболее важными характеристиками УНТ являются их наноразмер, высокая анизотропия геометрических размеров, , высокая гибкость, сверхмалое межслоевое трение, возможность разных типов проводимости, высокие значения полевой эмиссии, теплопроводности и максимальной плотности тока, чувствительность проводимости к различным физико-химическим изменениям, зависимость длин связей от заряда. В наноробототехнике УНТ можно применять в качестве структурных элементов, инструментов, сенсоров и актюаторов. Из одиночных многостенных нанотрубок можно формировать более сложные структуры либо методами «снизу-вверх» (bottom-up), либо – «сверху-вниз» (top-down) (рис.1.).
Рис.1. Строительные блоки на основе УНТ. Из одиночной МСНТ (а) можно создать сложные структуры: (b-d) соединением УНТ друг с другом, (e) заполнением, (f) модифицированием, (g-i) воздействием на слои.
Одиночная УНТ сама по себе также может являться функциональным элементом наноустройств. Один из примеров такого устройства – зонд из нанотрубок для атомно-силового микроскопа (AFM), позволяющий увеличить разрешение микроскопа и защитить остриё от разрушения. Изначально для создания такого устройства отдельная многостенная нанотрубка была присоединена к обычному коммерческому зонду на основе кремния. Дальнейшие разработки позволили усовершенствовать эту конструкцию и сейчас зонд из УНТ можно получить методом CVD, контролируемой сборкой или выращиванием строго упорядоченных нанотрубок на гладкой подложке. Другим примером наноустройства является нанопинцет, держатели которого представляют собой нанотрубки, соединённые со стеклянным капилляром. Управление зажимами происходит с помощью подачи разности потенциалов между ними.
Соединяя УНТ друг с другом можно построить более сложные структуры. Связи могут иметь внутримолекулярную и межмолекулярную природу. Связывая между собой УНТ различного диаметра и хиральности можно формировать электрические схемы нового поколения.
В многостенной нанотрубке отдельные слои связаны между собой слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, вследствие чего они легко двигаются друг относительно друга. Такие УНТ можно применять как гигагерцовые резонаторы и осцилляторы, трубчатые переключатели, элементы памяти, шприцы, линейные нано-серводвигатели со встроенным устройством для определения положения, как вращательные элементы для НЭМС. Кроме того, в МСНТ возможны сдвиги слоёв друг относительно друга (телескопическое движение) при котором меняется сопротивление нанотрубки. Это свойство можно использовать для создания уникальных электрических механизмов.
Открытые нанотрубки обладают капиллярными свойствами, поэтому в них можно помещать различные вещества. Уже есть работы по интеркалированию в нанотрубки металлов и их соединений, воды и фуллеренов. Примерами использования таких соединений являются темплаты, термометры, нанореакторы, наноконтейнеры.
Графен
Графен - плоский слой sp2-гибридных атомов углерода толщиной в один атом, образующих гексагональную решетку; двумерная форма углерода.
Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла. Графит является полуметаллом, и как было показано в 1947 году П. Воллесом, в зонной структуре графена также отсутствует запрещённая зона, причём в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают безмассовые фотоны и ультрарелятивистские частицы, а также нейтрино. Поэтому 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 являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов среди известных элементарных частиц нет.
Несмотря на такие специфические особенности, экспериментального подтверждения эти выводы не получили до 2005 года, поскольку не удавалось создать графен. Кроме того, ещё раньше было доказано теоретически, что свободную идеальную двумерную плёнку получить невозможно из-за нестабильности относительно сворачивания или скручивания. Тепловые флуктуации приводят к плавлению двумерного кристалла при любой конечной температуре.
Интерес к графену появился снова после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория строилась на простой модели нанотрубки как развёртки цилиндра. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.
Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованием атомно-силового микроскоп для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха. Использование графита с внедрёнными (интеркалированный графит) в межплоскостное пространство чужеродными атомами (используется для увеличения расстояния между соседними слоями и их расщепления) также не привело к результату.
В 2004 году российскими и британскими учёными была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окисленного кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ. Впервые были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, эффект Холла для образцов, состоящих из плёнок углерода с атомарной толщиной.
Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабо (по сравнению с силами в плоскости) связанные слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2CaCu2Ox.