Углеродные нанотрубы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нанотехнология - наука об изготовлении и свойствах элементов техники на атомном и молекулярном уровне - у всех сейчас "на слуху". Наноприборы и наномашины из таких элементов из области фантазий уже переходят в современную жизнь. И частью этой науки является быстро растущая ветвь нанотрубных и фуллеренных исследований, привлекших сотни исследовательских групп физиков, химиков и материаловедов.

Проблема создания наноструктур с заданными свойствами и контролируемыми размерами входит в число важнейших проблем XXI века. Ее решение революционизирует электронику, материаловедение, механику, химию, медицину и биологию.

Углеродные нанотрубы (УНТ) являются уникальными макромолекулярными системами. Их весьма малый нанометровый диаметр и большая микронная длина указывают на то, что они наиболее близки по своей структуре к идеальным одномерным (ID) системам. Поэтому УНТ - идеальные объекты для проверки теории квантовых явлений, в частности, квантового транспорта в низкоразмерных твердотельных системах. Они химически и термически стабильны по крайней мере до 2000 К, обладают превосходной теплопроводностью, уникальными прочностными и механическими характеристиками.

Простота структуры нанотруб позволяет развивать теоретические модели структур из них. Поэтому новые неожиданные применения ждут УНТ в будущем, особенно этo касается применений в биологии (манипулирование молекулами внутри клетки, искусственные нейронные сети, наномеханическая память и др.).

1. Однослойные нанотрубы

1.1 Открытие

В начале 1993 г. несколько групп ученых заявили, что в углеродные наночастицы или нанотрубы могут быть помещены чужеродные материалы при использовании модифицированных электродов в процессе дугового испарения. Группа Родни Руоффа из Калифорнии и группа Яхачи Саито из Японии получили закапсулированные кристаллы LaC₂ при работе с электродами, нашпигованными лантаном, тогда как Суппапан Серафин с коллегами доложили о том, что YC2 может быть внедрен в нанотрубы при использовании электродов, содержащих иттрий. Эта работа открыла целую новую область, основанную на наночастицах и нанотрубах как "молекулярных контейнерах", но она же косвенно привела к совершенно иному открытию с равнозначно важными приложениями.

Дональд Бетюн и его коллеги из калифорнийского IBM Альмаден исследовательского центра в Сан Луисе очень заинтересовались статьями Руоффа и других. Эта группа работала над магнитными материалами в их приложениях к запоминанию информации и полагала, что капсулированные в углеродные оболочки кристаллиты ферромагнитного переходного металла могут быть весьма ценны в этой области. В таких материалах закапсулированные металлические частицы должны сохранять свои магнитные моменты и одновременно быть химически и магнитно- изолированными от своих соседей. Несколько лет эта IBM группа работала над "эшюэдральными фуллеренами"; фуллеренами, содержащими внутри малое число атомов металла. Но большие кластеры или кристаллы внутри фуллереноподобных ячеек могли представить наибольший практический интерес. Поэтому Бетюн решил попытаться провести некоторые эксперименты по дуговому испарению, используя электроды, пропитанные ферромагнитными переходными металлами железа, кобальта и никеля. Однако результат этого эксперимента получился вовсе не тот, который ожидался. Прежде всего, полученная при дуговом испарении сажа не была похожа на обычный материал, производимый при дуговом испарении чистого графита. Слои сажи свешивались подобно паутине со стенок камеры, тогда как сам осажденный на стенках материал имел текстуру резины и мог быть счищен полосками. Когда Бетюн и его коллега Роберт Бейерс проверили этот странный новый материал, используя электронную микроскопию высокого разрешения, они были изумлены, обнаружив, что он содержал множество нанотруб со стенками в один атомарный слой. Эти прекрасные трубы были перепутаны с аморфной сажей и частицами металла или металлического карбида, поддерживающими этот материал в таком виде, что соответствовало его странной текстуре. Эта работа была принята к печати в Nature и появилась в июне 1993 г. Микроснимки из этой статьи показаны на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Снимки из работы Бетюна и др., показывающие однослойные углеродные нанотрубы, полученные при совместном испарении графита и кобальта. Трубы имеют диаметры около 1,2 нм.

Независимо от американской группы Сумио Ииджима и Тошинари Ичихаши из NEC лабораторий в Японии также экспериментировали с дуговым испарением, используя модифицированные электроды. Кроме того, они интересовались влиянием изменения атмосферы внутри камеры дугового испарения. Подобно Бетюну и его коллегам, они открыли, что при определенных условиях получается совсем иной тип сажи, отличной от той, которая обычно образуется при дуговом испарении. Для этого исследования японские ученые внедрили в свои электроды железо и в качестве атмосферы использовали смесь метана и аргона вместо гелия. При проверке электронной микроскопией высокого разрешения было обнаружено, что материал такого дугового испарения содержал весьма - замечательные нанотрубы, тянущиеся подобно ниткам между кластерами аморфного материала или частиц металла. Однослойные нанотрубы отличаются от тех, что получаются в непрерывном дуговом испарении, очень узким распределением по диаметрам. В случае "обычных" труб внутренний диаметр имеет диапазон от 1,5 до 15 нм, а внешний - от 2,5 до 30 нм. С другой стороны, однослойные нанотрубы все имеют очень близкие диаметры. В материале Бетюна и его коллег нанотрубы имели диаметры 1,2 (± 0,1) нм, тогда как Ииджимаи Ичихаши нашли, что диаметры труб располагаются от 0,7 до 1,6 нм с серединой примерно на 1,05 нм. Подобно трубам, получаемым при обычном дуговом испарении, все однослойные нанотрубы были закрыты шапками, и не имелось никакого доказательства присутствия частиц металлического катализатора на концах этих труб. Тем не менее полагают, что рост однослойных нанотруб существенно каталитический.

1.2 Последующая работа по однослойным нанотрубам

Следуя первоначальному фундаментальному исследованию, Дональд Бетюн и его коллеги из IBM в Сан Хосе в содружестве с учеными из Калифорнийского Технологического института, Политехнического института и Государственного Университета Вирджинии провели серию исследований по приготовлению однослойных нанотруб, используя массу "катализаторов". В одной из первых серий они показали, что добавление серы и кобальта в анод (или в виде чистой S, или CoS) приводило к появлению нанотруб с более широким диапазоном диаметров, чем при получении с одним кобальтом. Так, однослойные нанотрубы с диметрами от 1 до 6 нм получались тогда, когда в катоде обнаруживалась сера, по сравнению с 1-2 нм в случае чистого кобальта. Впоследствии было показано, что висмут и свинец могли аналогично содействовать образованию труб большого диаметра.

В 1997 г. французская группа показала, что и при дуговом испарении можно добиться высокого выхода нанотруб. Их метод был похож на оригинальную технику Бетюна и его коллег, но они использовали несколько иную геометрию реактора. Также в качестве катализатора использовалась смесь никель/иттрий, а не предпочитаемый группой Бетюна кобальт. Было обнаружено, что наибольшее количество нанотруб формировалось в "воротнике" вокруг катодного депозита, который составлял примерно 20% общей массы испаренного материала. Полностью выход труб оценивался в 70-90%. Исследование материала "воротника" электронной микроскопией высокого разрешения показало присутствие многих пучков из труб с диметром около 1,4 нм. Такой выход и вид получаемых труб подобны "жгутным" образцам группы Смолли, использующей лазерное испарение.

В конце 1993 г. Шекхар Субрамони из Дюпона в Вилмингтоне, Делавер, в сотрудничестве с исследователями из SPI International описали получение однослойных нанотруб другим способом. Эти ученые применяли дуговое испарение, используя электроды с гадолиниевымым заполнением, и собирали сажу со стенок реактора. Вместе с большими количествами аморфного углерода сажа содержала структуры типа "морского ежа", которые содержали однослойные нанотрубы, вырастающие на относительно больших частицах карбида гадолиния (с типичными размерами в десятки нанометров). Такие трубы были короче тех, что получались с металлами группы железа, но имели тот же диапазон диаметров. Последующее исследование показало, что радиальные однослойные нанотрубы могли формироваться и на множестве других металлов, включая лантан и иттрий. Рисунок 1.2, взятый из работы Саито с коллегами, показывает типичное изображение однослойных нанотруб, растущих радиально из частицы, содержащей лантан. В отличие от металлов группы железа редкоземельные элементы не известны как катализаторы для получения многослойных нанотруб, поэтому довольно удивительно формирование на них труб. Факт роста труб на относительно больших частицах предполагает, что такой механизм роста иной. Было предположено, что рост труб на поверхностях частиц может включать выделение пересыщенных углеродных атомов из внутренности карбидовых частиц. Отметим, что радиальный рост многослойных труб из каталитических частиц наблюдался много лет тому назад Бейкером и другими.

Обсуждаемые пока что методы получения однослойных нанотруб включали дуговое испарение с использованием модифицированных электродов. Работа Смолли и его коллег показала, что однослойные нанотрубы могут также синтезироваться при помощи чисто каталитического метода. Катализатор, используемый частицы молибдена нескольких нанометров в диаметре, располагался на алюминии. Это все помещалось во внутрь трубообразной печи, через которую пропускался монооксид углерода при температуре 1200 °С. Эта температура гораздо выше обычно используемой при каталитическом получении нанотруб, что может объяснить, почему скорее образуются однослойные, чем многослойные нанотрубы.

Каталитически приготовленные однослойные трубы имели ряд интересных особенностей, которые отличали их от труб, синтезированных дуговым испарением. Во-первых, каталитические трубы обычно имели малые металлические частицы, прикрепленные к концу, так же, как и многослойные трубы, получаемые при катализе. Имелся также широкий диапазон диаметров частиц (примерно 1-5 нм), и казалось, что диаметр каждой трубы определялся диаметром соответствующей частицы катализатора. И наконец, каталитически сформированные однослойные трубы обычно были скорее изолированными, чем собранными в пучки, как это бывает в случае с трубами, синтезированными при дуговом испарении.

Эти наблюдения дали возможность Смолли с коллегами предложить механизм роста для каталитически формируемых труб, который включает начальное формирование однослоевой шапки (названную ими ярмолка - иудейским именем тюбетейки), последующим ростом этой шапки с отрывом от каталитических частиц, впоследствии покидающих трубу. Этот механизм совершенно отличен от предложенного ими для роста однослойных труб при лазерном испарении .

Рисунок 1.2 - Однослойные нанотрубы, растущие на лантановой частице

Рисунок 1.3 - ТЭМ изображения образцов из "жгутов" однослойных нанотруб (а)

Изображение низкого разрешения, показывающее большое число жгутов, (б) микрография высокого разрешения индивидуального жгута, показанного вдоль его оси.

1.3 Нанотрубные "жгуты"

С открытия в 1985 г. в Раисе С60 группа Смолли сконцентрировалась на использовании лазеров в синтезе фуллереноподобных материалов. В 1995 г. они доложили о развитии технологии лазерного синтеза, которая позволила им получить однослойные нанотрубы с высоким выходом. Последующие улучшения этого метода привели к производству однослойных нанотруб с необычно однородными диаметрами. Наилучший выход однородных однослойных нанотруб был получен при каталитической смеси, составленной из равных частей Со и Ni, и был использован двойной импульс, чтобы обеспечить более ровное испарение такой мишени.

Несколько микрографий материала, полученного такой технологией, показаны на рисунке 1.3. По общему внешнему виду он очень похож на материал, получаемый дуговым испарением. Однако отдельные трубы имеют тенденцию образовывать "жгуты" или протяженные пучки, которые состоят из индивидуальных труб одного и того же диаметра. Иногда можно было обнаружить жгуты, проходившие на близком расстоянии от направления электронного пучка, так что можно было видеть их "в торец", как на рисунок 1.3(б). В дополнение к электронной микроскопии Смолли с коллегами провели рентгеновские диффракционные измерения на "жгутных" образцах в сотрудничестве с Джоном Фишером и его соавторами из Пенсильванского Государственного Университета. Были получены хорошо определяемые отражения от двумерной решетки, подтверждающие то, что трубы имели одинаковые диаметры. Было найдено хорошее согласие с экспериментальными данными в предположении, что диаметр нанотруб равен 1,38 нм с ошибкой ± 0,02 нм. Было обнаружено, что Ван-дер-ваальсова щель между трубами равна 0,315 нм, подобной в кристаллическом С₆₀. Из РД исследований был сделан вывод, что эти жгуты состоят преимущественно из (10,10) кресельных нанотруб. Это со всей очевидностью было подтверждено измерениями электронной нанодиффракции электронного пучка, так что можно было видеть их "в торец", как на рисунок 1.3(б).

2. Теории роста нанотруб

2.1 Общие замечания

Вначале важно рассмотреть влияние на рост структуры трубы. В своей статье в Nature 1991 г. Ииджима указывал на то, что геликоидальная структура, кажется, должна быть более предпочтительной, так как такие трубы имеют на растущем конце повторяющийся шаг. Это предположение, иллюстрированное на рисунке 2., очень похоже на появление винтовой дислокации на поверхности кристалла. Кресельные и зигзагные нанотрубы не обладают такой структурой, предпочтительной для роста, и должны требовать повторного зарождения нового кольца гексагонов. Это предполагает то, что спиральные нанотрубы должны быть более часто наблюдаемы, чем кресельные или зигзагные, хотя в настоящее время экспериментального свидетельства недостаточно, чтобы подтвердить это.

Рисунок 2. - Рисунок двух концентрических спиральных труб, показывающий присутствие ступенек на растущих концах (5)

Далее, существует очень важный вопрос для механизма роста - имеют ли растущие трубы закрытые или открытые концы? Ранняя модель нанотрубного роста, предложенная впервые, Эндо и Крото, предпочитала механизм с закрытым концом. Они предполагали, что атомы углерода могут быть вставлены в закрытую фуллеренную поверхность на места в окрестности пентагональных колец, с последующим переходом в равновесное состояние, в результате которого произойдет непрерывное вытягивание первоначального фуллерена. В поддержку этой идеи Эндо и Крото цитировали демонстрацию Ульмера с коллегами того, что С₆₀ и С₇₀ могут явно перерастать в большие фуллерены при добавлении малых углеродных фрагментов.

В то время как механизм, Эндо-Крото обеспечивает правдоподобное объяснение роста однослойных нанотруб, он остается серьезной проблемой для объяснения многослойного роста. При своем рассмотрении модели Эндо и Крото предполагают, что многослойный рост может осуществляться "эпитаксиально". Если это так, то, кажется, нет очевидной причины, почему бы второму слою не начать расти сразу же после того, как сформируется первоначальный фуллерен, а как только второй слой станет закрытым, всякое дальнейшее вытягивание внутренней трубы должно становиться невозможным. Но это находится не в ладах с тем наблюдением, что большинство труб многослойны по всей ее длине. Такая модель имеет также трудности в объяснении структур сомножественными отделениями. По этим причинам, Эндо-Крото механизм роста с закрытым окончанием не был широко принят.

Тот вывод, что механизм роста должен происходить с открытым окончанием трубы, в некотором роде более предпочтителен. Как сказал Ричард Смолли, "если мы и узнали с 1984-1985 годов что-нибудь о том, как конденсируется углерод, это то, что открытые листы должны охотно соединять пентагоны, чтобы исключать болтающиеся связи". Проблема труб, остающихся с открытым концом при условиях, благоприятных для ее закрытия, одна из тех, проблем которые рассматривал целый ряд авторов.

2.2 Почему нанотрубы остаются открытыми во время роста

Некоторые авторы, особенно Смолли с коллегами, предполагали, что электрическое поле в дуге может играть важную роль в сохранении труб открытыми во время роста. Если правильнее, это должно было помочь понять, почему нанотрубы никогда не находят в саже, конденсированной на стенках камеры дугового испарения. Однако вычисления показали, что вызванного полем понижения энергии открытого конца недостаточно для стабиллизации открытой конфигурации, за исключением нереально высоких полей. Поэтому была развита изящная модель, в которой атом "точечно приваривается" между слоями, помогая стабилизации образования открытого конца, а не его закрыванию.

Подтверждением этой идеи послужили эксперименты по закрыванию отдельных многослойных нанотруб при приложении разницы напряжения и без нее. Такая модель может помочь пониманию роста нанотруб в дуге, но не может подойти к случаю роста труб, где не присутствуют сильные электрические поля. Это привело некоторых авторов к предположению, что одни взаимодействия между объединенными концентрическими трубами могут быть существенны для стабилизации открытых труб.

Детальный анализ взаимодействия двух объединенных труб был выполнен Жан-Кристофом Чарлиером с коллегами методами молекулярной динамики. Они рассмотрели (10,0) трубу внутри (18,0) трубы и нашли, что между концами двух труб формируются мостиковые связи. Было обнаружено, что при высоких температурах (3000 К) конфигурация слипающихся связывающихся структур непрерывно флуктуирует. Предполагалось, что флуктуирующая структура должна создавать активные места для адсорбции и внедрения новых углеродных атомов, способствуя, таким образом, росту трубы.

Проблема такой теории заключается в том, что она не может объяснить рост одностенных труб большого диаметра при тепловом воздействии на фуллеренную сажу. Вообще в настоящее время полного объяснения роста открытых нанотруб, кажется, не существует.

2.3 Свойства дуговой плазмы

Большинство моделей роста нанотруб, обсуждаемых ранее, предполагают, что трубы зарождаются и растут в плазме дуги. Однако некоторые авторы рассматривали физическое состояние самой плазмы и ее роль в формировании нанотруб. Наиболее детальное обсуждение этой проблемы было проведено Евгением Гамалеем, экспертом по физике плазмы, и Томасом Эббесеном (30, 31). Это комплексная проблема, и здесь возможно только краткое резюме.

Гамалей и Эббесен начинают с предположения, что нанотрубы и наночастииы образуются в области дуги вблизи катодной поверхности. Поэтому они анализируют плотность и скорость углеродных паров в этом районе, принимая во внимание температуру и свойства самой дуги для того, чтобы разработать их модель. Они полагают, что в слое углеродного пара около катодной поверхности будут существовать две группы углеродных частиц с различными распределениями скоростей. Эта идея является центральной в их модели роста. Одна группа углеродных частиц должна иметь максвелловское, т.е. изотропное распределение по скоростям, соответствующее температуре дуги (~ 4000 К). Другая группа состоит из ионов, ускоряющихся в щели между положительным пространственным зарядом и катодом. Скорость этих углеродных частиц должна быть больше скорости тепловых частиц, и в этом случае поток должен быть скорее направленным, чем изотропным. Процесс формирования нанотруб (и наночастиц) рассматривается как осуществление серии циклов, каждый из которых состоит из следующих шагов:

1.Формирование зародыша. В начале разрядного процесса распределение по скоростям углерода в испаренном слое преимущественно максвелловское, и это приводит к формированию структур без какой-либо оси симметрии, таких, как наночастицы. Когда ток становится более направленным, начинают формироваться открытые структуры, которые Гамалей и Эббесен рассматривают как зародыши для нанотрубного роста.

2.Рост труб во время стабильного разряда. Когда разряд стабилизируется, поток углеродных ионов проникает в паровой слой в направлении, перпендикулярном к поверхности катода. Эти частицы углерода будут давать вклад в удлинение однослойных и многослойных нанотруб. Так как взаимодействие направленных частиц углерода с твердой поверхностью должно быть более интенсивным, чем частиц углерода парового слоя, рост протяженных структур должен быть преимущественным над формированием изотропных структур. Однако конденсация на катодной поверхности углерода из парового слоя будет давать вклад в утолщение нанотруб.

3.Окончание роста и закрывание. Гамалей и Эббесен отмечают, что нанотрубы часто видят выросшими в виде пучков и что в наблюдаемом пучке для всех труб рост и его окончание происходят примерно в одно и то же время. Это позволяет им предположить, что в дуговом разряде происходят нестабильности, которые могут привести к внезапному окончанию роста нанотруб. Такие нестабильности могут происходить от неустойчивого движения катодного пятна по катодной поверхности или от спонтанного прерывания и поджога дуги. При таких обстоятельствах частицы углерода с максвелловским распределением скоростей будут снова преобладать, а конденсация такого углерода будет приводить в конечном счете к закрыванию трубы шапкой и окончанию роста.

2.4 Альтернативные модели

Ученые представили совершенно другую теорию нанотрубного роста при дуговом испарении. В этой модели нанотрубы и наночастицы не растут в плазме дуги, а скорее образуются на катоде как результат трансформации твердотельного состояния. Таким образом, рост нанотруб не есть следствие действия электрического поля, а просто является результатом очень быстрого нагрева до высоких температур, испытываемого материалом, осажденным на катод во время действия дуги. Эта идея была инициирована наблюдением того, что нанотрубы могут быть приготовлены высокотемпературным тепловым воздействием на фуллеренную сажу и предусматривает двустадийный процесс роста нантруб, в котором фуллеренная сажа является промежуточным продуктом. Модель можно обобщить следующим образом. На начальных этапах дугового испарения фуллеренообразный материал (плюс фуллерены) должен конденсироваться на катоде, а затем конденсированный материал должен подвергнуться высоким температурам во время продолжения дугового процесса, приводя к формированию вначале однослойных, нанотрубноподобных структур, а затем многослойных нанотруб. В этой двустадийной модели ключевым действием является отжиг фуллереновой сажи. Таким образом, осаждаемая на стенках реактора сажа, которая испытывает относительно слабый отжиг, не трансформируется в трубы. С другой стороны, сажа, которая конденсируется на катоде, должна как раз испытывать значительное отжигание: оно приведет к образованию труб и наночастиц в виде твердой массы. Поэтому такая модель дает нам возможность объяснить влияние на производство нанотруб таких переменных величин, как охлаждение электродов и давление гелия. Кажется, что водяное охлаждение должно быть существенным для поддержания температуры катода низкой до уровня, необходимого для исключения шлакования труб. Аналогично роль гелия можно объяснить в терминах его влияния на температуру катодного депозита. Так как гелий - замечательный проводник тепла, высокие давления должны приводить к уменьшению температуры электрода, приводя к ее падению в области, где нанотрубный рост может происходить без шлакования.

2.5 Рост однослойных нанотруб

Сначала рассмотрим рост однослойных нанотруб в дуговом испарителе. Этот процесс поднимает не менее вопросов, чем рост многослойных нанотруб в дуге. Среди большинства очевидных следующие: Почему наблюдаются только однослойные нанотрубы? Почему имеется такое узкое распределение диаметров труб? Какова роль металла? Почему трубы растут чаще всего в виде пучков? И снова мы имеем только несколько определенных ответов на эти вопросы.

Одно, что кажется ясным, это то, что рост однослойных нанотруб должен существенно определяться скорее кинетикой, чем термодинамикой, так как ожидается, что трубы с очень малым диаметром менее стабильны, чем с большим. Отсутствие многих слоев предположительно также сдерживается кинитическими факторами. Что касается роли металла, то и Бетюн с коллегами, и Ииджима с Ичихаши предполагали, что отдельные атомы металла или их малые кластеры могут действовать как катализаторы роста в паровой фазе по аналогии с тем путем, при котором малые металлические частицы катализируют рост многослойных труб. Участие индивидуальных атомов или хорошо определенных кластеров должно помочь объяснить узкоразмерные распределения. Однако удивительно, что каталитические частицы, по-видимому, никогда не наблюдаются на верхушках однослойных нанотруб. Даже если каталитические частицы были бы отдельными атомами, то их можно было бы детектировать электронной микроскопией высокого разрешения или сканирующей трансмиссионной электронной микроскопией (СТЭМ). Возможно, каталитические атомы или частицы станут открепляться в процессе закрытия труб. Как было замечено выше, Бетюн с коллегами показали, что добавление к металлу таких элементов, как сера, может сильно нарушить распределение трубных диаметров. Дальнейшее исследование этого явления может дать полезные разъяснения механизма роста.

Одна из нескольких попыток развить детальную модель роста однослойных нанотруб была предпринята Чинг-Хва Киангом и Вильямом Годдардом. Эти исследователи предполагают, что пленарные полиэновые кольца могут служить зародышами образования однослойных нанотруб. Было показано, что такие кольцевые структуры должны быть доминантными частицами в углеродных парах тогда как закрытые каркасные структуры доминируют при больших размерах. Было постулировано, что углеродные кольца могут быть предшественниками в формировании фуллеренов, хотя это остается спорным. Кианг и Годдард полагают, что начальными материалами формирования однослойных нанотруб являются моноциклические углеродные кольца и газофазные кластеры карбида кобальта, возможно, заряженные. Кластеры карбида кобальта действуют как катализаторы при присоединении к кольцам С₂ или других частиц. Эти авторы предполагают, что специфическая конформация должна влиять на структуру возникающей нанотрубы.

Смолли с коллегами, следуя их ситнезу нанотрубных "жгутов", предположили механизм роста, который имеет некоторые сходства с Кианг и Годдард механизмом. Эта модель основана на том предположении, что все трубы имеют одинаковую (10,10) кресельную структуру. Эта структура единственно в своем роде позволяет раскрытым гексагональным кольцам быть "перекрытыми" тройными связями, хотя они должны быть значителъно напряженными по сравнению с их первоначальным линейным расположением. Затем группа Смолли предполагает, что отдельный атом никеля станет химически адсорбироваться на окончание трубы и "бегать" по периферии (рисунок 2.1), помогая расположиться приходящим атомам углерода на гексагональных кольцах. Любые локально неоптимальные структуры, включая пентагоны, будут отражены, так что такая труба будет продолжать расти неопределенное время.

Здесь так же, как и для других механизмов, предложенных для роста однослойных нанотруб, не имеется какого-либо прямого экспериментального доказательства.

Рисунок 2.1 - Иллюстрация "самокатного" механизма при росте (10,10) кресельных нанотруб.

Ряд групп ученых в мире пытались очищать нанотрубные образцы, используя такие методы, как центрифугирование, фильтрация и хроматография. Некоторые из этих методов включают первоначальное приготовление коллоидных суспензий содержащего нанотрубы материала, используя поверхностно-активные агенты. Например, Жан-Марк Бонард с коллегами применял анионный сурфактант додекациклосульфат натрия (СДН), чтобы добиться стабильной суспензии нанотруб и наночастиц в воде. Вначале использовался фильтрационный метод для отделения нанотруб от наночастиц, но более успешное разделение было достигнуто просто: позволяя нанотрубам выпадать в виде хлопьев, оставляя наночастицы в суспензии. Осадок можно, было потом извлечь и продолжить дальнейшие процедуры осаждения. Это не только позволяло извлечь наночастицы, но также приводило к некоторому разделению труб по длинам.

Другой метод достижения разделения нанотруб по размеру описан Дуисбергом с коллегами из Макс - Планк Института в Штуттгарте и Тринити Колледжа Дублина. Разделение труб и другого материала снова получали в кислоте СДН. Потом сепарация проводилась с применением хроматографии размерного исключения (ХРИ). Эта технология широко использовалась для разделения биологических макромолекул, и авторы продемонстрировали то, что можно успешно разделять нанотрубные образцы на фракции с трубами различных длин. Одним возможным недостатком использования суфрактантов, таких как СДН, в очистке нанотруб является то, что следы суфрактанта могут остаться в конечном продукте. Однако Бонард с коллегами показали, что можно добиться уменьшения уровня СДН ниже 0,1% промыванием.

3. Очистка Однослойных Труб

Методы для очистки однослойных труб были также развиты, хотя этот процесс требует больших усилий, чем для многослойных нанотруб. В дополнение к большому количеству аморфного углерода сажа, содержащая нанотрубы, содержит и металлические частицы, которые сами часто бывают, покрыты углеродом. Более - того, методы жесткого окисления, используемые для очистки многослойных нанотруб, также являются деструктивными и для однослойных труб.

Японские ученые шаг за шагом описали процесс последовательного исключения различных примесей. Первый шаг включал промывку необработанной сажи дистиллированной водой в течение 12 ч. с последующей фильтрацией и просушкой. Эта процедура позволяла удалять некоторое количество графитовых частиц и аморфного углерода. Фуллерены вымывались толуолом в аппарате Соксклета. Затем сажа нагревалась до 470 ?С на воздухе в течение 20 минут с целью избавиться от металлических частиц. Наконец, оставшаяся сажа подвергалась воздействию хлорной кислоты для того, чтобы растворить металлические частицы. Проверка окончательного продукта электронной микроскопией и рентгеновской дифракцией показала, что большая часть загрязнений была удалена, хотя некоторые заполненные и пустые наночастицы оставались в нем.

Смолли с коллегами развили метод очистки нанотрубных образцов из жгутов, используя микрофильтрацию. Они первыми описали технику использования катионного сурфактанта для приготовления суспензии из нанотруб и сопровождающего материала в растворе, а затем высаживания нанотруб на мембрану. Однако требовалась многократная фильтрация с приготовлением суспензии после каждой фильтрации для того, чтобы достигнуть значительного уровня очистки, что делает такую процедуру очень медленной и неэффективной. Улучшенный метод был описан в работе, где использовали обработку ультразвуком, сохраняя материал в суспензии во время фильтрации и, таким образом, делая возможным непрерывный процесс фильтрации большого количества образца. Таким путем можно было очищать до 150 млг сажи в течение 3-6 ч. с получением материала, содержащего более 90% ОСНТ.

Однослойные трубы могли очищаться также при использовании хромототографии, Дуйсбург и др. описали метод, подобный тому, который использовали для МСНТ, и показали его эффективность для ОСНТ.

4. Выравнивание Нанотрубных Образцов

углеродный нанотруба фуллереноподобный плазма

Многие описанные выше методы приготовления дают образцы со случайно ориентированными, нанотрубами. Хотя трубы часто группируются в пучки, сами эти пучки вообще не выравниваются один относительно другого. Для измерений свойств нанотруб было бы весьма полезным иметь образцы, в которых все трубы выровнены в одном направлении. Хотя уже описывались каталитические методы приготовления выровненных труб, но необходимо было также разрабатывать технологии выравнивания образцов труб после их синтеза. Так, один из первых таких методов был предложен в 1995 г. группой из Эколь Политехник Федерале Лозанны в Швейцарии. Они использовали МСНТ образец, приготовленный дуговым испарением, который был очищен центрифугированием и фильтрацией от наночастиц и другого загрязняющего материала. Затем на поверхность пластика были осаждены тонкие пленки очищенных нанотруб, и СЭМ изображения показали, что эти трубы выравнивались перпендикулярно к пленке в таком свободно осаждаемом состоянии. Было обнаружено, что трубы могли выравниваться параллельно к поверхности образца, предварительно легко натертой тефлоном или алюминиевой фольгой. Авторы утверждают, что этим методом можно сделать пленки "произвольно большими", и они использовали эти пленки для выполнения экспериментов по полевой эмиссии.

Другой метод выравнивания нанотруб заключается во внедрении этих труб в матрицу и последующего выдавливания такой матрицы каким-либо путем так, чтобы трубы становились выровненными в направлении потока.

5. Контроль Длины Углеродных Нанотруб

Техника нарезания отдельных однослойных нанотруб на контролируемые длины описана исследователями из Дельфтского и Раис Университетов в конце 1997 г. Используемые нанотрубы были получены методом лазерного испарения группой Смолли и были осаждены на поверхности монокристаллов золота для исследования с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Когда идентифицировалась подходящая нанотруба, сканирование останавливалось и Pt/Ir игла продвигалась до выбранной точки на этой трубе. Тогда обратная связь выключалась, и между острием и образцом на определенный период подавался импульс напряжения. Когда сканирование возобновлялось, на нанотрубе был виден обрыв, если обрезание произошло успешно. Было продемонстрировано, что индивидуальные трубы можно нарезать вплоть до четырех отдельных позиций. Было обнаружено, что критическим фактором в процессе нарезки является скорее напряжение, чем ток, необходимый для процесса нарезки минимум напряжения должен быть 4 В.

Имея нарезанные на короткие длины индивидуальные нанотрубы, авторы смогли показать, что электрические свойства коротких труб отличались от свойств оригинальных нанотруб. Эти отличия были отнесены к проявлению квантовых размерных эффектов.

Как и контролирование длин отдельных нанотруб, возможно нарезание на короткие длины и объемных образцов из однослойных нанотруб. Это было продемонстрировано в 1998 г. группой Смолли. Наиболее эффективным путем получения образцов из коротких труб (они были названы "фуллереновыми трубочками") является обработка ультразвуком нанотрубного материала в растворе серной и азотной кислот. Во время этого воздействия проявляется то, что лояльная сонохимия производит дырки на трубных поверхностях, которые затем атакуются кислотами, образуя открытые "трубочки". Смолли с коллегами показали, что эти трубочки могут быть рассортированы на различные по длинам фракции методом, известным как фракционирование в полевом потоке. Они также начинили концы таких открытых нанотруб различными функциональными группами и показали, что частицы золота могут присоединяться к фунюдионным трубным концам. Эту работу можно считать началом новой органической химии, основанной на углеродных нанотрубах.

6. Анализ Исследований

Метод дугового испарения Ииджимы, Эббесена и Аджайяна остается, несомненно, наилучшей техникой синтеза нанотруб высокого качества, но он страдает рядом недостатков. Во-первых, он велик по затратам труда и требует некоторого мастерства для достижения соответствующего уровня воспроизводимости. Во-вторых, выход в нем достаточно низкий, так как испаренного углерода осаждается на стенках камеры больше, чем на катоде, и нанотрубы загрязняются наночастицами и другими графитовыми обломками. B-третьих, это скорее "выпечка", чем непрерывный процесс, и он нелегко поддается масштабированию. Если нанотрубы когда-нибудь будут использоваться коммерчески в большом масштабе, то, по-видимому, нужно будет использовать другой способ приготовления. Прогресс в этом направлении затрудняется недостатком понимания механизма роста труб в дуге. Поэтому должны приветствоваться дальнейшие исследования, специально посвященные разъяснению механизма роста нанотруб.

Имеется еще одна серьезная слабость метода дугового испарения и всей другой токовой технологии приготовления многослойных нанотруб: они производят широкий диапазон размеров труб и структур. А это может быть проблемой не только некоторых приложений, но и недостатком в тех областях, где необходимы специфические трубные структуры, в такой, как наноэлектроника. Можно ли предсказать путь, по которому будут приготовляться трубы с определенными структурами? Возможно, это будет достигнуто творческим использованием катализаторов.

Исследователями обращается внимание на большую однородность одностенных труб, чем у их многостенных собратьев, по крайней мере в отношении их диаметров. Однако прямо используемые для синтезирования одностенных труб, методы более сложны, чем для многостенных нанотруб. Техника лазерного испарения, развитая группой Смоли, служит для производства материала наилучшего качества с наиболее высоким выходом, но требуемые для этого метода высокоэнергетические лазеры не всегда доступны для обычной лаборатории. Как и для многослойных труб, путь для продвижения вперед может включать каталитические методы, и сегодняшние исследования в этом направлении обнадеживают. В конечном счете, можно надеяться, что химики-органики смогут завершить полный синтез нанотруб. Однако надо иметь в виду, что это может быть далекой перспективой, поскольку даже полный синтез С60 до сих пор не осуществлен.

При том, что, в настоящее время нанотрубы наилучшего качества получаются при использовании методов, в которых производится также и значительное количество загрязняющего материала, важно отметить то, что существуют методы удаления этого материала. К счастью, в этой области недавно сделан существенный прогресс, и теперь имеется целый ряд методов удаления ненужных наночастиц, микропористого углерода и других загрязнений из образцов как многослойных, так и однослойных нанотруб. Были также разработаны процедуры выравнивания труб и их нарезки с контролируемыми длинами. Эти технологии позволят прогрессировать в областях, где до сих пор нехватка чистых и хорошо определяемых образцов остается серьезной проблемой.

Заключение

Метод приготовления нанотруб, описанный Инджима в 1991-м, давал относительно слабый выход, делая трудным дальнейшее исследование их структуры и свойств. Важное продвижение произошло в июле 1992-го, когда Томас Эбессен и Пуликель Аджайян, работая в той же японской лаборатории, что и Ииджима, описали метод приготовления граммовых количеств нанотруб. И снова это было неожиданное открытие: пытаясь приготовить производные фуллеренов, Эбессен и Аджайян обнаружили, что увеличение давления гелия в камере дугового испарения драматически улучшает выход нанотруб, сформированных в катодной саже. Доступность нанотруб в большом объеме привела к огромному подъему темпа исследований во всем мире.

Другой областью, привлекшей к себе ранний интерес, была идея использования углеродных нанотруб и наночастиц в качестве "молекулярных контейнеров". Вехой в этом направлении была демонстрация Аджайяном и Ииджимой того, что нанотрубы могут заполняться расплавленным свинцом и таким образом быть использованы как шаблоны для "нанопроволок". Впоследствии были развиты более контролируемые методы открывания и заполнения нанотруб, позволяющие помещать внутрь широкий диапазон материалов, включая биологические. Следствием открывания и заполнения нанотруб могут быть потрясающие свойства, которые возможно применить в катализе или в биологических сенсорах. Заполненные углеродные наночастицы могут также иметь важные приложения в таких различных областях, как магнитная запись и ядерная медицина.

Может быть, самый большой том по исследованию нанотруб должен быть посвящен их электронным свойствам. Выше уже была отмечена теоретическая работа, которая предшествовала открытию Ииджимы. Спустя короткое время после публикации Ииджимой письма в Nature 1991 г. появились две другие статьи по электронным свойствам углеродных нанотруб. MIT группа ученых и Нориаки Хамада с коллегами из лаборатории Ииджимы из Цукубы провели вычисления зонной структуры, используя модель жесткой связи, и продемонстрировали, что электронные свойства зависят как от структуры трубы, так и от ее диаметра. Эти замечательные предсказания вызвали большой интерес, но попытка определить электронные свойства нанотруб экспериментально столкнулась с большими трудностями. Но только в 1996-м были выполнены экспериментальные измерения на отдельных нанотрубах, способные подтвердить теоретические предсказания. Эти результаты позволили предположить, что нанотрубы могут стать компонентами будущих наноэлектронных приборов.

Определение механических свойств углеродных нанотруб представляло внушительные трудности, но еще раз экспериментаторы приняли этот вызов. Измерения, проводимые с помощью трансмиссионной электронной микроскопии и атомно-силовой, показали, что механические характеристики углеродных нанотруб могут быть также исключительными, как и их электронные свойства. В результате этого возрос интерес к использованию нанотруб в композитных материалах.

Ныне разнообразные другие возможные применения нанотруб вызывают к ним интерес. Например, рядом ученых исследуется проблема использования нанотруб в качестве острий для сканирующей зондовой микроскопии. С их продолговатой формой, заостренными верхушками и высокой жесткостью нанотрубы должны были идеально подходить для этой цели, и первоначальные эксперименты в этой области показали чрезвычайно впечатляющие результаты. Было также показано, что нанотрубы обладают полезными свойствами полевой эмиссии, которые могут привести к их использованию в плоских дисплеях. Повсеместно объем исследований нанотруб растет с астрономической скоростью, и их коммерческие приложения, безусловно, не заставят себя долго ждать.

Список литературы

1. П. Харрис, Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы ХХI века - М.: техносфера, 2003.

Размещено на Allbest.ru