Углеродные нанотрубки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Углеродные нанотрубки

Впервые углеродные нанотрубки были открыты в лабораториях компании NEC японским исследователем Сумио Инджимой (Simio Iijama), который занимался изучением осадка, образующегося на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание привлекла необычная структура осадка, состоящего из микроскопических нитей и волокон. Диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина составляет от одного до нескольких микрон. Сумев разрезать тонкую трубочку вдоль продольной оси, исследовательская группа Симио Иияма обнаружила, что та состоит из одного или нескольких слоев, каждый из которых представляет собой гексагональную сетку графита, ее основу формируют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями составляло 0,34 нм, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты многослойными полусферическими крышечками - их каждый слой составлен из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, впоследствии получили название нанотрубок.

Углеродные нанотрубки обладают очень разнообразными свойствами, демонстрируя, несмотря на свою кажущуюся хрупкость и ажурность, высокую прочность на растяжение и изгиб, способность перестраиваться под действием механических напряжений, высокую проводимость, необычные магнитные и оптические свойства. Но поистине удивительная особенность таких структур заключается в зависимости свойств от структуры самой нанотрубки. Так, например, вектор свертки графитовой плоскости определяет электронную структуру нанотрубки: будет ли она металлом или полупроводником.

Идеальная нанотрубка - это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. В зависимости от типа свертывания графенов существует три формы цилиндрических УНТ:

- ахиральные типа кресла (две стороны каждого шестиугольника ориентированы перпендикулярно оси УНТ);

- ахиральные типа зигзага (две стороны каждого шестиугольника ориентированы параллельрно оси УНТ);

- хиральные (любая пара сторон каждого шестиугольника расположена под углом, отличным от 0 или 90)

В зависимости от того, как именно из графитовой плоскости «вырезать полоску» и как ее свернуть, диаметр трубки может варьироваться в широких пределах от 0,4 до 100 нм, а длина - от 1 до 100 мкм. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику нанотрубки, которая получила название хиральности.

Хиральность характеризуется двумя целыми числами (m, n), которые указывают местонахождение того шестиугольника сетки, который в результате свертывания должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат. Двумерная структура поверхности УНТ передается вектором свертки (хиральности) С_h, который определяется уравнением

С_h = na₁ + ma₂,

где - a₁ и a₂ - единичные векторы гексагональной сетки,

n и m - хиральные индексы, выраженные целыми числами.

Индексы n и m однозначно связаны с диаметром нанотрубки d:

d = (a/р)[3(n² + m² + mn )]^0,5,

в котором а - межатомное расстояние в плоской углеродной сетке (0,1421 нм)

и хиральным углом , который характеризует отклонение от конфигурации зигзага и меняется в пределах от 0 до 30:

= arctg[-3m/(2n + m] или = arctg[-3n/(2m + n]

Т.о. хиральность нанотрубки может быть однозначно определена углом , образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону.

Ахиральные УНТ типа кресла имеют индексы (n, n) и = 30, типа зигзаг (n, 0) или (0, m) и = 0, хиральные - (n, m) и 0 30. Радиус УНТ (n, 0) и (n, n) определятся выражением r = 0,0392n и r = 0,0678n нм. Наименьший диаметр составляет 0,3 нм, наибольший 0,5 нм. Самая тонкая УНТ может иметь конфигурацию кресла и существовать только внутри МУНТ.

Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально подтверждена в 1996 году, когда впервые был осуществлен синтез нанотрубок с D = 1,36 нм, что соответствует хиральности (10, 10).

Двухслойные УНТ также являются устойчивыми. Они образуют больше структурных вариантов и подразделяются на четыре основных типа: зигзаг-зигзаг, кресло-кресло, зигзаг-кресло, кресло-зигзаг. Радиусы первых двух видов определяются выражениями

r_зигзаг = 0,0392n_кресло + 0,878 нм

r_кресло = 0,0578n_зигзаг + 0,507 нм

Внешние слои ДУНТ представляют собой полупроводниковые трубки, а внутренние металлические или полупроводниковые.

Многослойные нанотрубки углерода отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок показаны на слайде.

Первая структура получила название русской матрешки. Она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Для всех рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями (ван-дер-ваальсова щель), как и в графите, равно 0,34 нм. Число слоев может достигать нескольких десятков.

По мере увеличения числа слоев все в большей степени проявляются отклонения от идеальной цилиндрической формы. В некоторых случаях внешняя оболочка приобретает форму многогранника. Иногда поверхностный слой представляет собой структуру с неупорядоченным расположением атомов углерода. В других случаях на идеальной гексагональной сетке внешнего слоя нанотрубки образуются дефекты в виде пятиугольников и семиугольников, приводящие к нарушению цилиндрической формы. Наличие пятиугольника вызывает выпуклый, а семиугольника - вогнутый изгиб цилиндрической поверхности нанотрубки. Подобные дефекты ведут к появлению изогнутых и спиралевидных нанотрубок, которые в процессе роста извиваются, скручиваются между собой, образуя петли и другие сложные по форме протяженные структуры.

Еще одной структурной разновидностью УНМ являются углеродные нановолокна (УНВ), к которым принято относить нитевидные наноразмерные углеродные частицы, не имеющие ярко выраженной цилиндрической ориентации графеновых слоев, а также внутренней полости.

Отсутствие к настоящему времени общепризнанной классификации УНМ, основанной не только на морфологических признаках, но и взаимоувязке свойств отдельных разновидностей углеродных наноструктур, не позволяет категорично относить конкретные УНМ к разряду многослойных трубок или волокон. Тем более, что при синтезе УНМ редко получаются в высшей степени однородные структуры. Зачастую это смеси различных наноуглеродных образований с очевидно различными свойствами. "Архитектурное" построение графеновых слоев весьма разнообразно [47] и часто препятствует выявлению однозначной принадлежности к тому или иному классу УНМ.

На слайде показаны некоторые возможные конструкции расположения графеновых слоев в УНТ и УНВ.

Описаны также многочисленные структуры второго и третьего порядков, образованные из первичных УНТ: сростки, жгуты, кольца из сростков, агломераты из отдельных УНМ, ленточные, спиральные, древовидные и многие другие углеродные нанообразования.

Методы получения нанотрубок

Разрядно-дуговой метод, примененный Ииджимой, по сей день остается самым популярным. В этом методе для получения углеродных нанотрубок использует термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. Этот метод, лежащий также в основе наиболее эффективной технологии производства фуллеренов, позволяет получить нанотрубки в количестве, достаточном для детального исследования их физико-механических свойств. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 Торр. На торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются углеродные нанотрубки. Наибольшее количество нанотрубок образуется, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см². В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков А, а расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собираются в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%. Продукты распыления содержат, наряду с частицами графита, также некоторое количество фуллеренов, осаждающихся на охлажденных стенках разрядной камеры, а также на поверхности катода, более холодного, чем анод. Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая после добавления воды подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1 : 4 при температуре 750єC в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм.

Метод химического осаждения из пара. Так называемым методом химического осаждения из пара, т.е. простым пропусканием углеводорода (чаще всего ацетилена) над кобальтом или никельсодержащим катализатором при температурах 600-800°С, тоже можно получить углеродные нанотрубки В кварцевую ампулу, помещенную в печь и нагретую до 700-1000 єС, подаются метан, этилен или ацетилен. Нанотрубки растут в присутствии переходных металлов.

Метод лазерной абляции. Возможно, самый изощренный метод заключается в обстреле помещенной в вакуумную камеру графитовой мишени импульсным лазером. Выбитый лазерным импульсом углерод оседает на близко расположенную холодную подложку в виде нанотрубок. Добавляя в мишень разные катализаторы, применяя одновременно несколько лазеров с разной длиной волны излучения, можно добиться получения разных видов нанотрубок. Источник лазерного излучения, печь нагретая до 1200єС, графитовая мишень, охлажденный коллектор на поверхности которого растут нанотрубки.

Наиболее широко распространен метод получения нанотрубок, использующий термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере He. В дуговом разряде между анодом катодом при напряжении 20-25 В стабилизированном постоянном токе дуги 50-100А, межэлектродном расстоянии 0.5-2 мм и давлении Не 100-500 Торр, происходит интенсивное распыление материала анода. Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу, и фуллерены осаждается на охлаждаемых стенках камеры, часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки (МСНТ), осаждается на поверхности катода. На выход нанотрубок влияет множество факторов. Наиболее важным является давление Не в реакционной камере, которое в оптимальных, с точки зрения производства нанотрубок, условиях составляет 500 Торр, а не 100-150 Торр, как в случае фуллеренов. Другим не менее важным фактором является ток дуги: максимальный выход нанотрубок наблюдается при минимально возможном токе дуги, необходимым для ее стабильного горения. Эффективное охлаждение стенок камеры и электродов также важно во избежание растрескивания анода и его равномерного испарения, что влияет на содержание нанотрубок в катодном депозите. Использование автоматического устройства поддержания межэлектродного расстояния на фиксированном уровне способствует увеличению стабильности параметров дугового разряда и обогащению нанотрубками материала катодного депозита. В 1995 году появилось сообщение о получении углеродных нанотрубок методом распыления графитовой мишени под воздействием импульсного лазерного излучения в атмосфере инертного (He или Ar) газа. Графитовая мишень находится в кварцевой трубке при температуре 1200?С, по которой течет буферный газ. Фокусирующийся системой линз лазерный пучок сканирует поверхность графитовой мишени для обеспечения равномерного испарения материала мишени. Получающийся в результате лазерного испарения пар попадает в поток инертного газа и выносится из высокотемпературной области в низкотемпературную, где и осаждается на охлаждаемой водой медной подложке. Сажа, содержащая нанотрубки, собирается с медной подложки, стенок кварцевой трубки и обратной стороны мишени. Также как и в дуговом методе получается несколько видов конечного материала: в экспериментах, где в качестве мишени использовался чистый графит, получались многослойные углеродные нанотрубки, которые имели длину до 300 нм и состояли из 4-24 графеновых цилиндров. Структура и концентрация таких нанотрубок в исходном материале главным образом определялись температурой. При 1200С все наблюдаемые нанотрубки не содержали дефектов и имели шапочки на окончаниях. При понижении температуры синтеза до 900С в нанотрубки появлялись дефекты, число которых увеличивалось с дальнейшим понижением температуры, и при 200С образование нанотрубок не наблюдалось. При добавлении в мишень небольшого количества переходных металлов, в продуктах конденсации наблюдались одностенные нанотрубки. Однако в процессе испарения мишень обогащалась металлом, и выход нанотрубок снижался. Для решения этой проблемы стали использовать две облучаемые одновременно мишени, одна из которых состоит из чистого графита, а другая - из сплавов металлов. Процентный выход нанотрубок резко меняется в зависимости от катализатора. Так, например, высокий выход нанотрубок получается на катализаторах Ni, Co, смеси Ni и Co с другими элементами. Получаемые однослойные нанотрубки имели одинаковый диаметр и были объединены в пучки диаметром 5-20 нм. На окончаниях одностенных нанотрубок, свободных от частиц катализатора, наблюдались сферические шапочки. В качестве разновидности получил распространение метод, где вместо импульсного лазерного излучения используется сфокусированное солнечное излучение. Данный метод использовался для получения фуллеренов, а после доработки и для получения нанотрубок. Солнечный свет, попадая на плоское зеркало и отражаясь, формирует плоскопараллельный пучок, падающий на параболическое зеркало. В фокусе зеркала расположена графитовая лодочка, заполненная смесью графитового и металлического порошков. При хорошей юстировке температура на композитной мишени достигает 300K. Лодочка находится внутри графитовой трубки, которая играет роль теплового экрана. Вся система помещена в камеру, заполненную инертным газом. В качестве катализаторов были взяты различные металлы и их смеси. В зависимости от выбранного катализатора и давления инертного газа получались разные структуры. Используя никель-кобальтовый катализатор при низком давлении буферного газа, синтезированный образец состоял в основном из бамбукообразных многослойные нанотрубки. При повышении давления появлялись и начинали доминировать одностенные нанотрубки диаметром 1-2 нм, одностенные углеродные нанотрубки были объединены в пучки диаметром до 20 нм с поверхностью свободной от аморфного углерода. Широко используемый способ получения углеродных нанотрубок основан на использовании процесса разложения ацетилена в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов использовались частицы металлов Ni, Co, Cu и Fe размером несколько нанометров. В кварцевую трубку длиной 60 см, внутренним диаметром 4 мм, помещается керамическая лодочка с 20-50 мг катализатора. Смесь ацетилена C₂H₂ (2,5-10%) и азота прокачивается через трубку в течение нескольких часов при температуре 500-1100С. После чего система охлаждается до комнатной температуры. На эксперименте с кобальтовым катализатором наблюдались четыре типа структур: 1. аморфные слои углерода на частицах катализатора; 2. закапсулированные графеновыми слоями частицы металлического катализатора; 3. нити, образованные аморфным углеродом; 4. многослойные углеродные нанотрубки. Наименьшее значение внутреннего диаметра этих многослойных нанотрубок составляло 10 нм. Наружный диаметр свободных от аморфного углерода нанотрубок находился в пределах 25-30 нм, а для трубок, покрытых аморфным углеродом - до 130 нм. Длина определялась временем протекания реакции и изменялась от 100 нм до 10 мкм. Выход и структура зависела от типа катализатора - замена Co на Fe дает меньшую концентрацию нанотрубок и количество бездефектных нанотрубок сокращается. При использовании никелевого катализатора большинство нитей имело аморфную структуру, иногда встречались нанотрубки с графитизированной бездефектной структурой. На медном катализаторе формируются нити с нерегулярной формой и аморфной структурой. В образце наблюдаются закапсулированные в графеновые слои частицы металла. Получаемые нанотрубки и нити принимают различные формы - прямые; изогнутые, состоящие из прямых участков; зигзагообразные; спиральные. В некоторых случаях шаг спирали имеет псевдопостоянную величину. В настоящее время возникла необходимость получить массив ориентированных нанотрубок, что продиктовано использованием таких структур в качестве эмиттеров. Существует два пути получения массивов ориентированных нанотрубок: ориентация уже выросших и выращивание ориентированных трубок с использованием каталитических методов. Было предложено использовать в качестве подложки для роста углеродных нанотрубок пористый кремний, поры которого заполнены наночастицами железа. Подложка помещалась в среду буферного газа и ацетилена, находящихся при температуре 700С, где железо катализировало процесс термического распада ацетилена. В результате, на площадях в несколько мм2, перпендикулярно подложке, формировались ориентированные многослойные углеродные нанотрубки. Аналогичный метод - использование в качестве подложки анодированного алюминия. Поры анодированного алюминия заполняются кобальтом, подложка помещается в проточную смесь ацетилена и азота при температуре 800С. Получаемые ориентированные нанотрубки имеют средний диаметр 50.00.7 нм с расстоянием между трубками 104.22.3 нм. Средняя плотность была определена на уровне 1.1х1010 НТ/см². Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) нанотрубок выявила хорошо графитизированную структуру с расстоянием между графеновыми слоями 0.34 нм. Сообщается, что, изменяя параметры и время обработки алюминиевой подложки можно менять как диаметр нанотрубки, так и расстояние между ними.

Также известен метод, протекающий при более низких температурах (ниже 660С). Низкие температуры в процессе синтеза позволяют использовать в качестве подложки стекло с нанесенной пленкой никеля. Никелевая пленка служила катализатором для роста нанотрубок методом осаждения из газовой фазы в активированной плазме с горячей нитью. В качестве источника углерода использовался ацетилен. Меняя условия эксперимента можно менять диаметр трубок от 20 до 400 нм и их длину в пределах 0.1-50 мкм. Получаемые многослойные нанотрубки большого диаметра (>100 нм) прямые и их оси направлены строго перпендикулярно подложке. Наблюдаемая плотность нанотрубок по данным растровой электронной микроскопии составляет 107 НТ/мм². Когда диаметр нанотрубок становится меньше 100 нм преимущественная ориентация, перпендикулярная плоскости подложки, исчезает. Ориентированные массивы многослойных нанотрубок могут создаваться на площадях в несколько см². Основная идея электролитического синтеза состоит в том, чтобы получить углеродные нанотрубки, пропуская электрический ток между графитовыми электродами, находящимися в расплавленной ионной соли. Графитовый катод расходуется в процессе реакции и служит источником атомов углерода. В результате формируется широкий спектр наноматериалов. Анод представляет собой лодочку, сделанную из высоко чистого графита и заполненную хлоридом лития. Лодочка нагревается до температуры плавления хлорида лития (604С) на воздухе или в атмосфере инертного газа (аргона). В расплавленный хлорид лития погружается катод и в течение одной минуты между электродами пропускается ток 1-30А. За время пропускания тока погруженная в расплав часть катода эродирует. Далее расплав электролита, содержащий частицы углерода, охлаждается до комнатной температуры. Для того чтобы выделить частицы углерода, получившиеся вследствие эрозии катода, соль растворялась в воде. Осадок выделялся, растворялся в толуоле и диспергировался в ультразвуковой ванне. Продукты электролитического синтеза исследовались с помощью ПЭМ. Выявлено, что они состоят из закапсулированных частиц металла, «луковиц» и углеродных НТ различной морфологии, включая спиральные и сильно изогнутые. В зависимости от условий эксперимента диаметр нанотрубок образованных цилиндрическими графеновыми слоями колебался от 2 до 20 нм. Длина многослойных углеродных нанотрубок достигала 5 мкм. Найдены оптимальные условия по току - 3-5 А. При высоком значении тока (10-30 А) образуются только закапсулированные частицы и аморфный углерод. При низких значениях тока (< 1 А) образуется только аморфный углерод. В методе квазисвободной конденсации пара, углеродный пар образуется в результате резистивного нагрева графитовой ленты и конденсируется на подложку из высокоупорядоченного пиролитического графита, охлаждаемую до температуры 300С в вакууме 10-8 Торр. ПЭМ-исследования полученных пленок толщиной 2-6 нм показывают, что они содержат углеродные нанотрубки диаметром 1-7 нм, длиной до 200 нм, большинство из которых заканчивается сферическими окончаниями. Содержание нанотрубок в осадке превышает 50%. Для многослойных нанотрубок расстояние между образующими их графеновыми слоями составляет 0.34 нм. Трубки располагаются на подложке практически горизонтально. Метод конструктивного разрушения был разработан исследователями лаборатории IBM. Как было сказано ранее, нанотрубки обладают как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами. Однако для производства ряда устройств на их основе, в частности транзисторов и, далее, процессоров с их использованием, нужны только полупроводниковые нанотрубки. Ученые из IBM разработали метод так называемого «конструктивного разрушения», который позволил им разрушить все металлические нанотрубки и при этом оставить неповрежденными полупроводниковые. То есть они либо последовательно разрушают по одной оболочке в многостенной нанотрубке, либо выборочно разрушают металлические одностенные нанотрубки. Вот как вкратце описывается этот процесс: 1)Слипшиеся «канаты» из металлических и полупроводниковых трубок помещают на подложку из окисла кремния;2) Затем на подложку проецируется литографическая маска для формирования электродов (металлических прокладок) поверх нанотрубок. Эти электроды работают как переключатели для включения/выключения полупроводниковых нанотрубок; 3) Используя саму кремниевую подложку как электрод, ученые «выключают» полупроводниковые нанотрубки, которые просто блокируют прохождение любого тока через себя; 4) Металлические нанотрубки остались незащищенными. После чего к подложке прикладывается подходящее напряжение, разрушающее металлические нанотрубки, в то время как полупроводниковые нанотрубки остаются изолированными. В результате остается плотный массив неповрежденных работоспособных полупроводниковых нанотрубок - транзисторов, которые можно использовать для создания логических цепей - т. е. процессоров.

Теперь рассмотрим эти процессы подробнее. Различные оболочки многослойных углеродных нанотрубок могут иметь различные электрические свойства. В результате электронная структура и механизмы переноса электронов в многослойных нанотрубках различны. Эта сложность структуры позволяет выбирать и использовать только одну оболочку МСНТ: ту, что имеет желанные свойства. Разрушение многостенных нанотрубок происходит в воздухе при определенном уровне мощности, посредством быстрого окисления наружных углеродных оболочек. Во время разрушения ток, текущий через многослойную структуру, изменяется пошагово, причем эти шаги с удивительной постоянностью совпадают с разрушением отдельной оболочки. Контролируя процесс удаления оболочек одну за другой, можно создавать трубки с желаемыми характеристиками внешней оболочки, металлической или полупроводниковой. Выбирая диаметр внешней оболочки, можно получить желаемую ширину запрещенной зоны. Если для создания полевого транзистора используются «канаты» с одностенными нанотрубками, то в них нельзя оставлять металлические трубки, т. к. они будут доминировать и определять транспортные свойства устройства, т.е. не дадут осуществить полевой эффект. Эта проблема также решается путем выборочного разрушения. В отличие от многослойной нанотрубки, в тонком «канате» каждая однослойная нанотрубка может подсоединяться по отдельности к внешним электродам. Таким образом, «канат» с многослойными углеродными нанотрубками можно представить как независимые параллельные проводники. Кроме того, множество однослойных углеродных нанотрубок в «канате» контактируют с воздухом - потенциально окисляющей средой - поэтому множество трубок может быть разрушено одновременно, в отличие от случая с многослойными нанотрубками. И, наконец, одностенные нанотрубки в маленьком «канате» не защищают друг друга электростатически столь же эффективно, как концентрические оболочки многослойных нанотрубок. В результате, управляющий электрод можно использовать для эффективного уменьшения переносчиков электрического тока (электронов или дырок) в полупроводниковых одностенных трубках в «канате». Это превращает полупроводниковые трубки в изоляторы. В этом случае окисление, вызванное током, можно направить только на металлические нанотрубки в «канате». Производство массивов полупроводниковых нанотрубок осуществляется просто: путем помещения «канатов» из одностенных нанотрубок на окисленную подложку кремния, а затем набор из источника тока, заземления и изолированных электродов размещается литографическим способом на вершине «канатов». Концентрация трубок предварительно выбрана таким образом, что в среднем только один «канат» замыкает источник и землю. При этом специальной ориентации нанотрубок не требуется. Нижний затвор (сама кремниевая подложка) используется для запирания полупроводниковых трубок, а затем прикладывается избыточное напряжение для разрушения металлических трубок в «канате», что и создает полевой транзистор. Применяя эту технологию выборочного разрушения, можно контролировать размер углеродной нанотрубки, что позволяет строить нанотрубки с заранее заданными электрическими свойствами, отвечающими требуемым характеристикам электронных устройств.

Нанотрубки можно использовать как провода с наноразмерами или активные компоненты в электронных устройствах: например, как полевые транзисторы. Понятно, что в отличие от полупроводников на основе кремния, требующих создания проводников на основе алюминия или меди для соединения полупроводниковых элементов внутри кристалла, в этой технологии можно обойтись только углеродом. Сегодня производители процессоров для увеличения частоты пытаются уменьшить длину каналов в транзисторах. Технология, предложенная IBM, позволяет успешно решить эту проблему при использовании углеродных нанотрубок в качестве каналов в транзисторах. Возможны два варианта заполнения углеродистых нанотрубок: в процессе синтеза и после получения трубок. Для заполнения в процессе синтеза важное значение имеют добавки веществ, предотвращающих закрытие канала трубки. К таким веществам, например, относится бор. Внутренние полости трубок удается заполнить фуллеренами С60 и С70, подобные материалы представляют интерес как композиты. Интересно, что в продуктах лазерно-термического синтеза после их отжига в вакууме при 1100°С обнаружены структуры типа «наностручка». В таких структурах диаметр трубки (1,4 нм) вдвое превышает диаметр молекулы С₆₀ (0,7 нм) и молекулы фуллерена могут перемещаться и формировать пары. Хорошо известно, что при синтезе нанотрубок как дуговым методом, так и лазерным испарением, наряду с нанотрубками образуется большое количество фуллеренов и других форм углерода. Обычно они удаляются путем очистки или специальной обработки. В очень редких случаях, как показывают данные просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, фуллерены захватываются в полости нанотрубок, проникая через дефекты в стенках или через открытый конец. Это наблюдение стимулировало работу японских исследователей по целенаправленному синтезу нанотрубок, заполненных фуллеренами. Такие системы и были получены ими в простой парофазной реакции. Допирование нанотрубок фуллеренами (С60, более высокие фуллерены и даже эндоэдральные металлофуллерены) осуществлялось после специальной предварительной обработки нанотрубок. Фуллерены так регулярно выстраиваются в полостях одностенных углеродных нанотрубок, что их можно рассматривать как одномерный фуллереновый кристалл. Как показывают теоретические исследования, высокая стабильность систем с инкапсулированными С60, обусловлена слабым взаимодействием между С60 и углеродными нанотрубками. Очевидно, физические и химические свойства нанотрубок, заполненных фуллереновым горохом, будут сильно отличаться от обычных нанотрубок. Японские ученые продолжают исследования и рассчитывают скоро представить неожиданные и интересные данные. В литературе описаны углеродные нантрубки, внутрь которых помещена целая цепочка из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния (рис. 29)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.29. Gd@C60@SWNT, т.е. "Gd внутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)"

Ранее было известно, что металл передает часть своих электронов углероду, изменяя тем самым электрические свойства C₈₂. В новых опытах планировалось выяснить, как этот эффект скажется на свойствах нанотрубок. В электрическом поле под высоким давлением были созданы нанотрубки, заполненные по своей длине металлофуллеренами с одинаковым интервалом - 1.5 нм. Подобные нанотрубки являлись фактически одномерными кристаллами. На рисунке 29 схематично показана структура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный исследователями с помощью электронной микроскопии. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Вычисления, проведенные S.Okada для цепочек внутри (n,n) нанотрубок (n=8,9,10), показывают, что "гороховый стручок" (10,10) является металлом с так называемыми мультиносителями, распределенными вдоль нанотрубки или вдоль цепочки С60. Процесс внедрения С60 в нанотрубку (10,10) является экзотермическим, а для нанотрубок (8,8) и (9,9) - эндотермическим из-за больших структурных деформаций как фуллеренов, так и нанотрубок. В результате, наименьший диаметр нанотрубок, способных заключать в себя фуллерены - 0.64 нм. Данные работы D.Luzzi и B.Smith также подтверждают, что заполнение нанотрубок связано с их диаметром - в их экспериментах заполнялись "стручки" только диаметром 1.3-1.4 нм. Любопытные превращения с инкапсулированными в полостях нанотрубок фуллеренами происходят и дальше: при воздействии электронного пучка (100 кэВ) или просто при определенной термической обработке фуллерены превращаются в одностенные нанотрубки внутри исходных. Таким образом, образуются углеродные нанотрубки, инкапсулированные углеродными нанотрубками. Концы нанотрубок обычно закрыты 5- или 6-углеродными циклами, причем 5-членные циклы менее устойчивы к окислению. Для заполнения полученных трубок необходимо раскрытие их концов, например, при помощи селективного окисления, которое может быть проведено такими газообразными реагентами, как кислород, воздух, диоксид углерода, или водными растворами. Возможна обработка и кислотами, при этом наиболее часто используется азотная кислота. Механизм окисления окончательно не выяснен. Заполнение внутренних полостей можно осуществлять в жидких средах, в частности, расплавленными оксидами различных металлов. При этом, если диаметр трубок менее 3 нм, образуется стекловидная, а не кристаллическая фаза. Интересные результаты получены при включении в нанотрубки расплава соли кристаллов йодистого калия. В трубке диаметром 1,6 нм кристалл КI в сечении содержал всего 9 атомов и был сжат вдоль оси (001) на 0,695-0,705 нм по сравнению с компактным веществом. Координационные числа атомов сжатого кристалла составляли на гранях 5, а на ребрах 4. Так как доля таких атомов велика, то можно ожидать, что различия в геометрии будут сказываться на электронных свойствах веществ. Например, типичные металлы могут превратиться в диэлектрики. Вещества, вводимые в полости каналов углеродных нанотрубок, могут участвовать в различных химических реакциях. При термическом разложении оксидов и их восстановлении были получены трубки, содержащие металлы, и осуществлено внутритрубочное превращение оксида калия в его сульфид. Большой и важный раздел нанохимии углеродистых трубок составляет получение различных функциональных групп на их боковых поверхностях. Подобный процесс можно осуществить при длительной обработке трубок кислотами, при этом поведение однослойных нанотрубок зависит от способа их получения. При окислении в растворах поверхность нанотрубок покрывается карбоксильными (-СООН), карбонильными (-СО) и гидроксильными (-ОН) группами, соотношение между которыми составляет примерно 4:2:1. Эти группы можно заменять на другие, «прививать» желаемые и придавать тем самым сравнительно инертным молекулам химическую индивидуальность. Пионерская работа в этом направлении была проведена в университете штата Кентукки (США): на кончики укороченных однослойных нанотрубок сначала «посадили» карбоксильные группы, затем взаимодействием с тионилхлоридом SOCl₂ и октадециламидом СН₃(СH₂)₁₆СН₃СОNH₂ заменили карбоксильные группы на длинные цепочки амида. Оказалось, что такие нанотрубки в отличие от обычных способны растворяться. Получены их растворы в хлороформе, дихлорметане, ароматических веществах, в CS₂. Отсюда - путь и к простому способу очистки, и к дальнейшим химическим превращениям. С поверхности трубки функциональные группы можно удалить нагреванием, начиная с температуры выше 623 К. Присоединение функциональных групп к боковым поверхностям углеродистых трубок используют для придания различных функций зондам атомно-силовых микроскопов. При этом наилучшие результаты получаются при использовании газов. Схема процесса представлена на рисунке 30. Используется разряд в среде О₂, Н₂ и смесей Н₂ и N₂. При модификации в атмосфере азота его атомы входят в состав гетероциклов кончика трубки. Модифицированные подобным образом зонды можно применять для изучения поверхности слоев с гидроксильными группами.

Для модификации боковых поверхностей трубки активно используют фторирование. Обнаружено, что фторирование углеродных трубок при температуре Т< 325 °С обратимо. При взаимодействии фторированных трубок с безводным гидразином атомы фтора удаляются и первоначальная структура трубки восстанавливается. Если фторирование проводят при температуре 400С, то структура не восстанавливается. При длительном, до семи суток, фторировании парами ВгР₃ многослойных трубок и наночастиц, полученных с использованием дуги, образуются частицы С₂Р трубчатой или квазисферической формы.

Риc. 30. Схема функционализации кантилевера атомно-силового микроскопа: а - сканирование поверхности с напыленным ниобием колеблющимся зондом из нанотрубок в атмосфере газа Х₂; b - создание разряда между нанотрубкой и поверхностью; с - зонд с нанотрубкой, содержащей X

нанотрубка графит сетка гексагональный

С увеличением глубины фторирования диаметр трубок и межслоевые расстояния растут, и при достижении некоторой критической глубины внешние слои разворачиваются и образуются многослойные плоские частицы. Интеркалирование однослойных и многослойных трубок различно. В многослойных трубках интеркалируемые частицы располагаются между отдельными слоями, в однослойных - проникают в межтрубное пространство сростков. Интеркалирование нанотрубок отличается от аналогичного процесса в фуллеренах. Фуллерены, например С60, образуют комплексы с переносом заряда только с донорами электронов. По данным спектроскопии комбинационного рассеивания и измерений проводимости, сростки однослойных трубок проявляют двойственность: они могут взаимодействовать и с донорами и с акцепторами. Кристаллические сростки однослойных трубок обнаруживают металлические свойства. В таких трубках наблюдается положительный температурный коэффициент. Внедрение брома или калия уменьшает сопротивление трубок при температуре 300 К в 30 раз и увеличивает область положительного температурного коэффициента. Этот факт указывает на то, что трубки, легированные бромом или калием, можно отнести к синтетическим металлам. Адсорбция газов нанотрубками может осуществляться на внешних и на внутренних поверхностях и в межтрубном пространстве. Так, экспериментальное изучение адсорбции азота при 77 К на многослойных трубках с мезопорами шириной 4,0 ± 0,8 нм показало, что адсорбция имеет место на внутренней и внешней поверхностях трубки. При этом на внешней поверхности адсорбируется в 5 раз больше частиц, чем на внутренней, и изотермы этих процессов имеют различный вид. Адсорбция в мезопорах согласуется с классической теорией капиллярной конденсации, и вычисленный диаметр пор равен 4,5 нм. Некоторая специфика процесса связана с тем, что трубки открыты только с одного конца. Сростки однослойных нанотрубок хорошо адсорбируют азот. Исходные неочищенные трубки имели внутреннюю удельную поверхность 233 м2Д, а внешнюю - 143 м2Д. При этом обработка нанотрубок соляной и азотной кислотами увеличивала суммарную удельную поверхность и повышала адсорбционную емкость по бензолу и метанолу. Согласно проведенным в Пенсильванском университете исследованиям, углеродные нанотрубки, возможно, являются лучшими среди известных проводников тепла. Как известно, тепло переносится звуковыми волнами (фононами). Ранее считалось, что звуковые волны в нанотрубках рассеиваются во всех направлениях и поэтому теплопроводность нанотрубок невелика. Однако, J.E.Fischer и A.T.Johnson обнаружили, что звук распространяется строго вдоль нанотрубок со скоростью 10 км/с и очень эффективно переносит тепло. Особенно замечательно то, что тепло хорошо передается даже вдоль многих соединенных между собой нанотрубок. Данное свойство можно использовать для эффективного отвода тепла от элементов микросхем. В 2003 г. P. Avouris и его коллеги из исследовательского центра компании IBM в Нью-Йорке обнаружили эффект свечения углеродных нанотрубок, через которые пропускался электрический ток. Свечение возникало при рекомбинации в узком поперечном слое потоков электронов и дырок (электронных вакансий), движущихся навстречу друг другу. Той же группой исследователей выполнен новый эксперимент, в котором с помощью микроскопа и инфракрасной камеры можно было следить за положением светящегося пятна, а с помощью управляющего электрода удавалось перемещать это пятно вдоль нанотрубки. Ток через нанотрубку длиной около 50 мкм пропускался посредством двух электродов, прикрепленных к ее концам. Третий управляющий электрод или затвор был отделен от нанотрубки тонким слоем изолятора, так что в целом устройство напоминало полевой транзистор. На затвор подавалось напряжение величиной от 0 до 40 вольт. Поскольку распространение электронов и дырок от концов нанотрубок происходит диффузионным путем, то потенциал затвора влияет на положение той области, в которой встречаются заряды и происходит рекомбинация, сопровождаемая свечением. Изменяя потенциал, удавалось перемещать светящееся пятно вдоль всей длины нанотрубки между электродами. T.Hertel предлагает использовать данную методику для изучения дефектов на поверхности нанотрубок, наблюдая прохождение светящегося пятна через дефекты. Светоизлучающая нанотрубка имеет диаметр всего 1,4 нм, то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Это самое миниатюрное в истории твердотельное светоизлучающее устройство. Его создание стало результатом программы изучения электрических свойств углеродных нанотрубок, проводящейся в IBM в течение нескольких последних лет. M.Coey и его коллеги из Trinity College (Дублин, Ирландия) установили, что углеродные нанотрубки приобретают магнитные свойства, будучи приведенными в контакт с ферромагнитными материалами. Данное свойство углеродных нанотрубок ранее было теоретически предсказано M.Ferreira и S.Santivo. В основе эффекта лежит обмен поляризованными электронами между ферромагнитным материалом и нанотрубками. Главной сложностью эксперимента стало выделение слабого магнитного момента нанотрубок на фоне сильного магнитного момента ферромагнитного образца. Образец, используемый в эксперименте, представлял собой тонкую пленку кобальта или оксида железа и был однородно намагничен строго в одном направлении. С помощью магнитного силового микроскопа обнаружены слабые возмущающие магнитные поля, создаваемые нанотрубками на поверхности образца. Согласно измерениям, намагниченность нанотрубок составляет 0,1 магнетон Бора в пересчете на один атом углерода, находящийся в контакте с пленкой. Контрольные эксперименты показали, что углеродные нанотрубки в контакте с немагнитными веществами, такими как кремний или золото, магнетизмом не обладают. В ряде теоретических работ предсказывалось изменение проводимости углеродных нанотрубок при механическом воздействии как следствие изменения ширины запрещенной зоны в энергетическом спектре электронов. В зависимости от ориентации гексагональной сетки графита по отношению к оси нанотрубки проводимость могла бы уменьшиться, либо увеличиться. В экспериментах T.W.Tombler и его коллег в 2000 г. действительно было зафиксировано уменьшение проводимости деформированных нанотрубок более чем на порядок величины, однако оставалось невыясненным, было ли это уменьшение связано с величиной энергетической щели или же имело другие причины. E.D.Minot и его коллеги из Корнельского университета выполнили новый эксперимент, в котором нанотрубки, к концам которых были прикреплены электроды, деформировались (растягивались и изгибались) иглой атомного силового микроскопа. В некоторых случаях наблюдалось не только уменьшение, но и увеличение проводимости. Игла микроскопа одновременно служила затвором, через который регулировался потенциал центральной части нанотрубки и текущий через нанотрубку ток. По зависимости сопротивления нанотрубки от электрического напряжения установлено, что основной причиной изменения проводимости нанотрубок является изменение величины энергетической щели. В Пеннсильванском университете впервые получен образец жидкокристаллического материала из одностенных углеродных нанотрубок. По сути, этот гель - огромное множество нанотрубок полумикронной длины, уложенных в полимерную матрицу и ориентированных вдоль некоторого направления. Образец проявляет характерные для нематических жидких кристаллов свойства, в том числе двулучепреломление и специфические дефекты топологии. Особенности анизотропии геля из нанотрубок и ее зависимость от качества растворителя открывают принципиально новые возможности технического применения этого вещества. К примеру, гель может быть осмотическим или электрическим преобразователем, в котором изменения концентрации определенных солей или величины и ориентации внешнего электрического поля приводят к объемным эффектам (стрикции или расширению) или изменению формы. За счет использования поверхностно-активных веществ и последующего прессования плотность изолированных углеродных нанотрубок оказалась выше значений, достижимых в обычных водных суспензиях. Сущность электромеханического эффекта в индивидуальных нанотрубках состоит в значительном изменении электрической проводимости нанотрубки даже при небольшом изгибе. Детальные исследования электромеханических характеристик нанотрубок выполнены группой исследователей из ряда лабораторий Атланты (Джорджия, США). В эксперименте использовали индивидуальные многослойные углеродные нанотрубки, полученные стандартным электроразрядным методом. К нанотрубке прикрепляли тонкую золотую проволоку, на расстоянии от 5 до 20 мкм от конца нанотрубки размещали контрэлектрод, ориентированный под некоторым углом к ней. При подаче на нанотрубку внешнего потенциала она испытывала притяжение к контрэлектроду и изгибалась на некоторый угол, т.е. нанотрубка оказалась способна преобразовывать механическую энергию в электрическую и обратно. P. Sheng и его коллеги из Гонконгского Университета наук и технологий впервые зарегистрировали собственную сверхпроводимость углеродных нанотрубок при температуре ниже 20K. Ранее наблюдалась лишь так называемая "слабая сверхпроводимость", которая возникала за счет туннельного эффекта у нанотрубок, помещенных в узком зазоре между двумя сверхпроводниками. Гонконгские ученые зафиксировали 3 эффекта собственной проводимости нанотрубок: сверхток, эффект Мейснера иэнергетическую щель. Углеродные нанотрубки можно применять в виде массивных изделий и в виде миниатюрных устройств. В первом случае используется множество трубок в качестве наполнителей для композитов, источников тока, адсорбентов или аккумуляторов газов. Во втором случае нанотрубки применяют для изготовления различных электронных устройств, полевых эмиттеров электронов, сверхпрочных зондов микроскопов, сенсоров. Различные области применения быстро расширяются, все охватить сложно, поэтому приведены лишь некоторые примеры. Нанотрубки демонстрируют удивительное сочетание прочности и эластичности, обладая способностью обратимым образом реагировать даже на очень сильные внешние воздействия. По своей прочности нанотрубки превосходят сталь в 50-100 раз (хотя и имеют в шесть раз меньшую плотность). Модуль Юнга у нанотрубок в среднем вдвое выше, чем у углеродных волокон. Трубки не только прочные, но и гибкие, напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Эксперименты по изучению жесткости нанотрубок очень сложны. Действительно, не так-то просто изготовить качественные, не содержащие дефектов нанотрубки, да еще и умудриться при этом посжимать их и порастягивать. Согласно теоретическим расчетам, критический уровень деформации одностенных нанотрубок составляет (5-6)%. В принципе это согласуется с немногочисленными имеющимися на сегодня экспериментальными данными. Однако есть все основания ожидать, что истинный предел прочности нанотрубок на самом деле гораздо выше. Дело в том, что, с одной стороны, в экспериментах качество образцов не контролировалось должным образом. С другой стороны, в теоретических расчетах основное внимание уделялось равновесным (в термодинамическом смысле) характеристикам деформированных нанотрубок, то есть выяснялось, при каком уровне деформации становится термодинамически выгодным образование топологических дефектов (энергия недеформированной нанотрубки минимальна в отсутствие дефектов, тогда как при деформации свыше критического уровня бездефектное состояние становится метастабильным). А при появлении дефектов нанотрубка под внешним воздействием разрушается быстрее. Но наряду с равновесными характеристиками дефектных и бездефектных нанотрубок очень важна и динамика образования дефектов. Для возникновения дефекта не достаточно, чтобы энергия содержащей дефект нанотрубки была ниже, чем у бездефектной. Необходимо еще и преодолеть активационный барьер Eact, отделяющий состояние без дефекта от состояния с дефектом. Если величина Eact достаточно велика, то даже при превышении критического уровня деформации нанотрубка будет сохранять свою структуру, хотя и окажется при этом в термодинамически метастабильном состоянии. Детальные расчеты активационного барьера Eact в нанотрубках различной хиральности были выполнены американскими физиками из North Carolina State University. Они сделали это для так называемого "дефекта 5-7-7-5", который образуется в результате поворота одной ковалентной связи на 90° (при этом в "шестиугольной структуре" стенки нанотрубки появляются два пятиугольника и два семиугольника). Авторы использовали различные расчетные методики, включая методы ab initio, а также полуэмпирические и эмпирические методы. Показано, что хотя Eact и уменьшается при деформации, но довольно медленно и остается очень большой даже при превышении "термодинамического предела" (5-6)%. Так, например, в "armchair" нанотрубке (5,5) при деформации 15 % величина Eact составляет 2 эВ, а в "zigzag" нанотрубке (9,9) - и того больше - 4 эВ! Таким образом, гексагональная стенка углеродных нанотрубок характеризуется беспрецедентной устойчивостью и в состоянии выдерживать огромные механические нагрузки, на порядки превосходя по прочности все известные материалы. По этой причине нанотрубки рассматриваются как наиболее перспективный кандидат для нового поколения чрезвычайно легких и суперпрочных волокон. Нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы. Ещё в 1996г было обнаружено, что отдельные углеродные нанотрубки могут самопроизвольно свиваться в канатики из 100- 500 волокон-трубочек, причём они в 10- 12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Вот из таких-то ниточек и можно получить сверхпрочные тросы большой длины. В этом смысле можно помечтать и о возможности использования нанотрубок для создания космической трассы или "космического лифта", или хотя бы чего-то наподобие уходящего от Земли на многие километры кабеля, описанного в своё время Артуром Кларком. И такой проект, как известно, существует. В чём же его суть? Если говорить предельно просто и кратко, то замысел состоит в том, чтобы, во-первых, запустить на околоземную орбиту космическую обитаемую станцию, которая должна как бы зависнуть над одной и той же точкой Земли. А во-вторых, протянуть от неё к Земле прочнейшие канаты, по ним пустить лифты, в которых мы будем переправлять людей и грузы. Зачем это надо? А затем, что в космос (да и обратно) нам приходится доставлять немалое количество всяческих грузов. Это делается, как известно, при посредстве ракетоносителей, а потому обходится чрезвычайно дорого. Чтобы вывести даже и на низкую орбиту всего 1 кг груза, нужно потратить примерно от 2,5 до 8 тысяч долларов. А у спутников и космических кораблей вес изрядный, так что всякий запуск - весьма дорогое удовольствие. Другое дело - "космический мост". Или "космический лифт". В этом случае большую космическую станцию нужно будет вывести на геостационарную орбиту, т.е. она должна будет совершать оборот вокруг нашей планеты за сутки вместе с Землёй и, таким образом, окажется как бы неподвижно висящей где-то над одной точкой. В сфере практического применения углеродных и иных нанотрубок дело, однако, тормозится стоимостью. В настоящее время один грамм нанотрубок оценивается в 100 долларов. Зато новая технология наверняка найдёт применение в тех областях, где деньги не очень-то считают. Например, в агентстве НАСА и иных щедро субсидируемых аэрокосмических или военных ведомствах. Группа ученых из Кембриджского университета объявила о создании первых в мире "веревок" из нанотрубок (рис. 31). Предполагается, что результаты исследований в будущем будут использованы при разработке так называемого космического лифта - троса длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющего орбитальную космическую станцию с размещенной посреди океана платформой. Кроме того, канаты из нанотрубок найдут применение и на Земле. К примеру, они могли бы лечь в основу гигантского подвесного моста над Гибралтарским проливом, соединяющего Испанию и Марокко. В процессе создания веревок отдельные углеродные нанотрубки, вытягиваемые из печи, навивались на крошечные штыри, формируя при этом нити. Толщина, длина и прочность таких нитей пока оставляют желать много лучшего. В частности, в ходе экспериментов ученым удалось получить, максимум, двадцатисантиметровые "канаты". При этом нити все еще намного тоньше человеческого волоса, а их прочность оказалась даже несколько ниже, чем у отдельных нанотрубок. Тем не менее, в перспективе исследователи рассчитывают усовершенствовать технологию, подняв показатели прочности, как минимум, в десять раз. Правда, для этого придется найти способы получения отдельных нанотрубок, длина которых будет сопоставима с длиной целого каната. Чтобы создать «космический подъемник», надо проделать немалый путь, а вот прочные композиционные материалы с матрицами из пластмасс или металлов и наполнителями из нанотрубок можно делать сегодня, и первые образцы уже сделаны. Области применения таких композиционных материалов очень широки - от деталей космических устройств до автомобильных шин и теннисных ракеток. Международная группа ученых показала, что нанотрубки можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть втрое сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов. Высокие значения модуля упругости углеродных нанотрубок позволяют создать композиционные материалы, обеспечивающие высокую прочность при сверхвысоких упругих деформациях. Из такого материала можно будет сделать сверхлегкие и сверхпрочные ткани для одежды пожарных и космонавтов. В целях повышения безопасности военнослужащих армия США уже приступила к разработке военной формы нового поколения, в которой будут применяться нанотрубки, которые хорошо пропускают воздух, но защищают от действия химического и биологического оружия. Из полиметилметакрилата, наполненного ориентированными нанотрубками, получены очень прочные волокна.