Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки — протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрон состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

(См. также фуллерены (более общая категория) и букиболы (молекулы — шары))

Содержание

Основные свойства

Классификация нанотрубок

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проилюстрировано на рисунке.

По значению параметров (n, m) различают

  • прямые (ахиральные) нанотрубки
    • «кресло» (armchair) n=m
    • зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0
  • спиральные (хиральные) нанотрубки

Как нетрудно догадаться, при зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если n-m делится на 3. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло». Более подробно см. раздел про электронные свойства нанотрубок.

Однослойные и многослойные нанотрубки

Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложеных одна в другую (так называемые "русские матрешки").

История открытия

Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смоли, Крото и Кёрла в 1985 г.[1], за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [2], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 19741975 гг. Эндо и др. [3] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 A, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [4] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских ученых Радушкевича и Лушкиновича [5] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе [6] химик Джонс (Дедалус) размышлял о свернутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости[8].

  1. H.W. Kroto, J.R.Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley, C60: Buckminsterfullerene, Nature 318 162 (1985)
  2. S. Iijima, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature 354 56 (1991)
  3. A. Oberlin, M. Endo, and T. Koyama. High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers Carbon, 14, 133 (1976)
  4. J.A.E. Gibson. Early nanotubes? Nature, 359, 369 (1992)
  5. Л. В. Радушкевич и В. М. Лушкинович. О структуре углерода, образующегося при термическом разложении окиси углерода на железном контакте. ЖФХ, 26, 88 (1952)
  6. D.E.H. Jones (Daedalus). New Scientist 110 80 (1986)
  7. З. Я. Косаковская, Л. А. Чернозатонский, Е. А. Фёдоров. Нановолоконная углеродная структура. Письма в ЖЭТФ 56 26 (1992)
  8. М. Ю. Корнилов. Нужен трубчатый углерод. Химия и жизнь 8 (1985)

Структурные свойства

  • упругие свойства; 5-7-дефекты при превышении критической нагрузки
  • открытые и закрытые нанотрубки

Электронные свойства нанотрубок

Электронные свойства графитовой плоскости

  • Обратная решётка, первая зона Бриллюэна

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

  • Спектр в приближении сильной связи
  • Дираковские точки

Графит — полуметалл, что видно невооруженным глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т.о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

  • SU(4) симметрия

Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку

Учёт взаимодействия электронов

Сверхпроводимость в нанотрубках

  • Экспериментальный статус
  • Теория

Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

Оптические свойства нанотрубок

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (сумма индексов хиральности не кратна трем) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная аннигиляция электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.

Свойства интеркалированных нанотрубок

Применения нанотрубок

  • Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
  • Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, топливные элементы
  • Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
  • Оптические применения: дисплеи, светодиоды
  • Медицина (в стадии активной разработки)
Одностенные нанотрубки (индивидуальные или в небольших сборках) 
являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде 
или в растворах с ультра высокой чувствительностью - при адсорбции 
на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление может изменяться
на 3 порядка в течение нескольких секунд. Такие нанодатчики могут 
использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, 
медицинских и биотехнологических применениях. 

Ссылки

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home