Понятие, свойства и строение нанотрубок

Нанотрубка, иначе тубулярная наноструктура; нанотубулен (англ. nanotube) — топологическая форма наночастиц в виде полого наностержня.

1. Углеродные нанотрубки — цилиндрические кристаллы, состоящие из одних лишь атомов углерода. Внешне выглядят как свёрнутая в цилиндр графитовая плоскость. Благодаря тому, что удельная проводимость соизмерима с проводимостью металла, а максимальная плотность тока — в десятки раз выше, чем у металла, углеродные нанотрубки рассматриваются как замена металлическим проводникам в микросхемах новых поколений.

2. Нитрид-борные нанотрубки — аналогичны углеродным нанотрубкам по строению, но состоят из соединения NB.

3. Неуглеродная нанотрубка — полая квазиодномерная структура диаметром от 5 до 100 нм на основе неорганических веществ и материалов.

4. Неорганические нанотрубки – появлялись сообщения о создании десятков различных видов неорганических нанотрубок, при этом в качестве составных элементов задействована вся периодическая система элементов (синтезированы нанотрубки, изготовленные из оксидов переходных металлов, и галоидов, а также нанотрубки из легированного металла, чистого металла, на основе бора и кремния).

Рассмотрим более подробно углеродные нанотрубки (УНТ).

Данные наноструктуры имеют отношение длины к диаметру ~ 1000, так что их можно рассматривать как квазиодномерные объекты.

УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов: хорошая электропроводность и адсорбционные свойства, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов, диамагнитные характеристики, химическая и термическая стабильность, большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации.

УНТ могут состоять из двух отдельных поверхностей с различными физическими и химическими свойствами. Первая – боковая (цилиндрическая) часть трубки, вторая – закрытый торец, по форме напоминающий половину молекулы фуллерена.

В зависимости от способа свертывания графенов существуют три формы цилиндрических УНТ: ахиральные типа "кресло" (две стороны каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ), ахиральные типа "зигзаг" (при параллельном положении к оси) и хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под углом, отличным от 0 или 90°). Указанные отличия наглядно представлены на рис. 1.

а) б) в)

Рис. 1. Углеродные нанотрубки:

а – типа "кресло"; б – типа "зигзаг"; в – хиральная УНТ.

Нанотрубки могут быть однослойные, двухслойные и многослойные.

Наименьший и наибольший диаметры однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) составляют соответственно около 0,3 и 5 нм.

Отличительной особенностью ОУНТ является простота их строения, малое число дефектов и, как следствие, высокие механические и физико-технические характеристики.

Отдельно принято выделять двухслойные нанотрубки (ДУНТ), которые являются как бы переходной формой между однослойными и многослойными (МУНТ). Их внешний диаметр варьируется от 1,8 до 7,1 нм.

ДУНТ могут соперничать с ОУНТ по ряду показателей, в частности по механическим свойствам. Они имеют большую термическую устойчивость, тепло- и электропроводность, чем ОУНТ. Если ОУНТ начинают коалесцировать примерно при 1200 °С, то ДУНТ при температуре более 2000 °С. Вместе с тем сложность синтеза и последующей очистки ДУНТ определяет не многим меньшую стоимость продукта на рынке УНМ.

Наиболее многочисленными по строению, морфологическим характеристикам и свойствам являются многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ).

Структура экспериментально наблюдаемых МУНТ во многом отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается дефектов, наличие которых в МУНТ приводит к искажению их структуры. Так, присутствие пяти- и семичленных циклов в структуре приводит к нарушению их цилиндрической формы, причем при внедрении пятичленного цикла образуется выпуклый изгиб, а при внедрении семичленного – вогнутый. Другие отклонения от идеальной структуры у МУНТ были обнаружены в работах, где значительная часть полученных трубок имела поперечное сечение в форме многоугольника, причем участки плоской поверхности соседствовали с участками поверхности большой кривизны, которые содержали края с sp3-гибридизованным углеродом.

Помимо МУНТ типа "русская матрешка" (рис. 2, а), существуют МУНТ типа "рулон" (рис. 2, б) и "папье-маше" (рис. 2, в), но они встречаются реже.

Рис. 2. Модели строения МУНТ:

а – "русская матрешка"; б – "рулон"; в – "папье-маше".

Как и для ОУНТ, для МУНТ характерно образование сростков.

Число слоев чаще всего составляет не больше 10, но в отдельных случаях достигает нескольких десятков.

Исследования последних лет позволили обнаружить новые свойства УНТ. В частности, открыта способность вертикально стоящих УНТ испытывать осевую эйлеровскую деформацию, сопровождающуюся существенным сокращением их высоты, что придает этому материалу необычные свойства. Обнаружено, что вертикально-ориентированный слой нанотрубок ведет себя как пенообразный материал, способный под действием нагрузки обратимым образом многократно менять свою плотность. Вертикально-ориентированные МУНТ высотой до 1 мм были выращены на площади 2 см² методом ГФХО (газофазное химическое осаждение) с использованием ферроцена и ксилола в качестве прекурсора.

Измерения показали, что после каждого сжатия УНТ восстанавливают свою начальную толщину в конце каждого цикла.

При изгибе УНТ проявляют исключительно эластичность, образуют своеобразные узлы, способные упруго распределяться. Это свойство отличает УНТ от большинства других материалов, имеющих сопоставимую прочность, но являющихся весьма хрупкими.

Еще одним особым свойством УНТ является проявление способности к автоэлектронной эмиссии, при этом напряженность электрического поля (создаваемого внешним источником) в зоне "головки" УНТ в сотни раз превышает объемную напряженность. Это свойство реализуется в аномально высоких значениях плотности тока эмиссии (≈ 0,5 кА / м) при сравнительно малом внешнем напряжении (≈ 500 В).

Характерным свойством УНТ является их способность поглощать жидкие или газообразные вещества. Расстояние между графеновыми слоями в многослойной УНТ (0,34 нм) достаточно для того, чтобы внутри трубки могло разместиться некоторое количество вещества. Это вещество может проникнуть внутрь УНТ под действием внешнего давления или вследствие капиллярных сил. Определено, что в полости УНТ могут проникать жидкости, имеющие поверхностное натяжение ниже 200 мН/м.

Углерод в виде УНТ приобретает необычные магнитные свойства. В частности, проявляется большая отрицательная магнитная восприимчивость УНТ, указывающая на их диамагнитность, что, скорее всего, обусловлено перемещением электронных токов по окружности.

Следует отметить, что вышеуказанные замечательные свойства УНТ могут быть значительно усилены за счет применения дополнительных манипуляций с ними.

Ограничимся лишь констатацией направлений возможных исследований в этой области: многостадийная, целевая очистка; солюбилизация; самосборка и полимеризация; модифицирование путем: функционализации (присоединения функциональных групп); интеркалирования; адсорбции и хемосорбции; декорирования; заполнения внутренних областей и др.