Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

13.3. Углеродные нанотрубки

Брент Сегал

Брент Сегал представляет фирму Echelon Ventures (Бирлингтон, штат Массачусетс), которая занимается с наиболее «взрывными» технологиями на стыке наук. Он принимал участие в раскрутке многих инновационных фирм, связанных с биохимией, нанотехнологиями, полупроводниками и т. д. Он является активным членом многих организаций, связанных с развитием нанотехнологий, в штате Массачусетс (в котором разработана собственная Massachusetts Nanotechnology Initiative, MNI) и соседних регионах. Можно отметить, что инновационные планы ряда штатов США вполне сопоставимы с планами некоторых стран. Б. Сегал занимает важное место среди ученых в развитии инновационных технологий в ряде северо-западных штатов США. Он является специалистом по биохимии, имеет множество публикаций в научных журналах, соавтор многих патентов в области нанотехнологий.

Углеродные нанотрубки, открытые Сумио Иидзима в 1991 году, продолжают поражать ученых своими необычными свойствами [70] . Обычно они представляют собой свернутые в цилиндр (диаметром около 1–2 нм) «листы» (плоскости) графена, которые заканчиваются округлыми вершинами из пятиугольных циклов углерода (рис. 13.2). В книгах по истории химии читатель наверняка видел иллюстрации открытия нового химического вещества, где химик стоит среди реторт и перегонных кубов, с удивлением наблюдая свечение или пары из колбы, где возникло новое соединение. В случае с нанотрубками все обстояло иначе, поскольку они были обнаружены специалистом по электронной микроскопии, исследовавшим осадок на поверхности катода после экспериментов по синтезу фуллеренов (бакиболлов, на жаргоне химиков).

Это открытие стало одним из важнейших в истории нанотехнологий (и науки вообще), поскольку оно не только позволило обнаружить новые вещества и свойства (естественно, существовавшие задолго до их открытия), но и создало массу возможностей для их дальнейшего исследования. Открытие Иидзимы казалось фантастическим, но затем было разработано множество других методов синтеза углеродных нанотрубок, связанных с использованием дугового разряда, лазерной абляции (испарения) и осаждением из газовой фазы [71] . Во всех этих технологиях при высоких температурах создаются свободные и активные атомы углерода, которые в дальнейшем сами образуют регулярные структуры (паттерны) на поверхности металлических частиц, стабилизирующих формирование фуллеренов, а затем и длинных цепочек из упорядоченных атомов углерода.

Наиболее распространенным методом является синтез в дуговом разряде, при котором в большом количестве формируются многослойные нанотрубки (обычно диаметром более 5 нм) в виде вложенных цилиндров, напоминающих по строению «русскую матрешку». В последние годы этот метод удалось модифицировать для получения большого количества и более ценных для практического использования однослойных нанотрубок. Метод лазерного испарения позволяет изготовлять высококачественные однослойные нанотрубки, но, к сожалению, он требует применения очень мощных лазеров, а его продуктивность весьма незначительна. Группа специалистов из университета Райса, возглавляемая Нобелевским лауреатом Ричардом Смолли (чей авторитет в этой области остается непререкаемым), предложила использовать для получения нанотрубок широко распространенный метод осаждения из газовой фазы. Нанотрубки по этой методике выращиваются с использованием распространенных неорганических реактивов и специфических катализаторов на переходных металлах, позволяющих формировать однослойные нанотрубки. Типичная схема строения углеродной нанотрубки представлена на рис. 13.2.

13.3.1. Необычные свойства нанотрубок

Легко заметить, что углеродные нанотрубки имеют очень интересные и необычные структуры, однако их физико-химические свойства являются еще более удивительными и предоставляют исследователям массу возможностей для практического применения, высокой коммерческой ценностью. Вообще говоря, эти трубки принято подразделять на однослойные и многослойные, но, учитывая значительное сходство характеристик, мы ограничимся для простоты обсуждением лишь однослойных трубок.

Прежде всего следует отметить необычные физические свойства таких трубок, точнее – материалов на их основе, которые отличаются очень высокими значениями коэффициентов прочности, упругости, теплопроводности и электропроводности. Конкретные показатели имеют большой разброс (в зависимости от методов получения нанотрубок), но во всех случаях они представляются поразительными. Например, по данным некоторых авторов [72] , прочность однослойных углеродных нанотрубок (SWTN) на разрыв превышает соответствующий показатель для стали в 50—100 раз! Одновременно SWTN обладают очень высокой упругостью, то есть способностью к восстановлению формы после упругой деформации. Читатель может почувствовать необычность новых материалов, пытаясь представить себе молекулярную структуру, значительно превосходящую сталь по прочности на разрыв, но одновременно гибкую, как резина!

При этом, несмотря на свою сложную структуру SWTN проводят тепло вдвое лучше алмаза, считающегося одним из лучших теплопроводных материалов а также обладают исключительно высоким коэффициентом электропроводности (около 109 А/см2), что в сто раз выше электропроводности меди, являющейся наиболее распространенным материалом для изготовления бытовой электропроводки.

Следует отметить еще одну особенность строения SWTN, имеющую важнейшее значение для их возможного применения в электронике и электротехнике. Рассматривая атомарную структуру нанотрубок даже на схематическом рисунке, легко заметить, что связи атомов углерода в цилиндрах нанотрубок, подобно привычным органическим молекулам, могут быть ахиральными (то есть однородно располагаться вдоль оси) или хиральными (то есть «закрученными» в двух разных направлениях относительно оси). Оказалось, что ахиральные и хиральные формы SWTN отличаются не только геометрически и эстетически, но и придают структурам свойства металла и полупроводника соответственно.

К этому списку удивительных физико-химических характеристик следует добавить, что SWTN представляют собой очень легкий и термостойкий материал. Его плотность вдвое меньше, чем у алюминия, а температура плавления в вакууме достигает 2700 °C, что сравнимо с показателями для многих тугоплавких металлов (рутения, иридия и ниобия) [73] . Положения атомов углерода и образуемые ими связи могут варьироваться (как и в плоскостях графена), что открывает перед исследователями огромное поле деятельности. Некоторые специалисты полагают, что нанотрубки могут стать основой совершенно нового направления органической химии.

Дополнительные свойства и характеристики углеродным нанотрубкам могут быть приданы не только изменением структуры, но и прямым присоединением функциональных групп или биологически активных соединений, что можно использовать в биологии и медицине. Уже сейчас материалы на основе фуллеренов используются в качестве антиоксидантов, а также для доставки лекарств в организме и замещения аминокислот, что позволяет надеяться на создание нового класса лекарственных препаратов. В этом направлении ведутся интенсивные исследования, и появились публикации о возможности присоединения к таким наноструктурам специфических антител к некоторым видам вирусов, а также о возможности их использования в качестве «основы» для выращивания сетки из эпителиальных клеток для пересаживания в сетчатку человеческого глаза при некоторых поражениях.

13.3.2. Проблемы получения и промышленного производства нанотрубок

За последние годы методы производства углеродных нанотрубок заметно улучшились, в результате чего наблюдается как рост производительности внедряемых технологий, так и снижение стоимости продуктов. Понятно, что превращение нанотрубок из интереснейшего объекта научных исследований в полноценные коммерческие продукты требует прежде всего разработки промышленных технологий их производства в достаточно больших количествах и по разумной цене. Кроме того, для практического использования необходимо, чтобы производимые порошки были достаточно однородными. Для многослойных углеродных нанотрубок (MWNT) эта задача практически решена, так как метод синтеза в электрической дуге уже позволяет производить большие объемы порошка по сравнительно невысокой цене. Сложнее обстоит дело с производством гораздо более важных в научном и практическом отношении однослойных углеродных нанотрубок (SWTN), так как синтез в электрической дуге обеспечивает лишь высокую производительность установок, но не гарантирует чистоту продуктов. Наличие углеродистых примесей разного типа в SWTN сейчас является основным препятствием для множества интересных возможностей коммерческого применения. В самое последнее время была разработана и получила большую популярность плазменная модификация метода химического осаждения из газовой фазы (plasma-enhanced chemical vapor deposition, PEVCD), позволяющая получать большие количества SWTN микронной длины с достаточно высокой чистотой, удовлетворяющей спецификации ряда возможных сфер применения. На рис. 13.3 приведена микрофотография решетки из однослойных углеродных нанотрубок, выращенной по этому методу.