Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (тубулены) — это протяжённые цилиндрические структуры поперечником от 1-го до нескольких 10-ов нанометров и длиной до нескольких см, состоящие из одной либо нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей.

Рис. 8.4 Типы нанотрубок и их схематическое изображение.

Безупречная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, другими словами поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в верхушках которых размещены атомы углерода. Итог таковой операции находится в зависимости от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации определяет, а именно, её электронные свойства.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, в почти всех отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Мультислойные нанотрубки отличаются от однослойных существенно более широким многообразием форм и конфигураций. Обилие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении.

Структура типа «русской матрёшки» (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных цилиндрических нанотрубок. Другая разновидность этой структуры представляет собой совокупа вложенных друг в друга коаксиальных призм.

Механические, электронные и оптические характеристики нанотрубок

Механические внедрения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

К примеру, было предложено использовать нанотрубки для сотворения троса для галлактического лифта, потому что нанотрубки на теоретическом уровне, могут держать и больше тонны. Но это исключительно в теории, потому что получить довольно длинноватые углеродные трубки с шириной стен в один атом до сего времени не удалось.

Исследователями из Франции и Рф (ИПТМ РАН, Черноголовка) открыто явление сверхпроводимости углеродных нанотрубок. Были проведены измерения вольт-амперных черт:

• отдельной однослойной нанотрубки поперечником ~1нм;
• свёрнутого в жгут огромного числа однослойных нанотрубок;
• также личных мультислойных нанотрубок.

При температуре, близкой к 4К, меж 2-мя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обыденных трёхмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным нравом переноса (как, к примеру, квантование сопротивления R).

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок являются прямозонными полупроводниками. Это значит, что в их может происходить конкретная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматом включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.

Внедрения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы. Для сотворения соединений меж био нейронами и электрическими устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках. Оптические внедрения: мониторы, светодиоды.

Одностенные нанотрубки (личные, в маленьких сборках либо в сетях) являются маленькими датчиками для обнаружения молекул в газовой среде либо в смесях с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, также свойства нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут употребляться для мониторинга среды, в военных, мед и биотехнологических применениях.

Получение углеродных нанотрубок

В текущее время более всераспространенным является способ теплового распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит насыщенное тепловое испарение анода, при всем этом на торцевой поверхности катода появляется осадок, в каком формируются нанотрубки углерода.

Образующиеся бессчетные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки поперечником около 50 мкм. Пучки нанотрубок часто покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно найти, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Место меж пучками нанотрубок заполнено консистенцией неупорядоченных микрочастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке может приближаться к 60%.

Для разделения компонент приобретенного осадка употребляется ультразвуковое диспергирование. В итоге выходит суспензия, которая (после прибавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Большие частички сажи прилипают к стенам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Потом нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода. В итоге таковой обработки выходит довольно легкий и пористый материал, состоящий из мультислойных нанотрубок со средним поперечником 20 нм и длиной около 10 мкм. Разработка получения нанотрубок достаточно сложна, потому в текущее время нанотрубки — дорогой материал: один гр стоит несколько сот баксов США.

Согласно публикации в журнальчике NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 см.