Замітка знайомить читача з дивовижним світом нанотрубок - вуглецевих структур, відкритих у 1991 році і активно досліджуваних в наші дні. В даний час висунуті вже сотні різні ідей застосування нанотрубок в науці та промисловості. Про деякі з цих пропозицій ми розповідаємо в замітці, намагаючись при цьому підкреслити, які ідеї можна реалізувати вже сьогодні, а які залишаються поки долею майбутнього.
Багато з перспективних напрямків в матеріалознавстві, нанотехнології, наноелектроніці, прикладної хімії зв'язуються останнім часом з фулеренами, нанотрубками та іншими схожими структурами, які можна назвати загальним терміном вуглецеві каркасні структури. Що ж це таке?
Вуглецеві каркасні структури - це великі (а іноді і гігантські!) Молекули, що складаються виключно з атомів вуглецю. Можна навіть говорити, що вуглецеві каркасні структури - це нова алотропна форма вуглецю (на додаток до давно відомих: алмазу і графіту). Головна особливість цих молекул - це їх каркасна форма: вони виглядають як замкнуті, пусті всередині "оболонки". Найзнаменитіша з вуглецевих каркасних структур - це фулерен C60 (Мал.1а), абсолютно несподіване відкриття якого в 1985 році викликало цілий бум досліджень у цій області (Нобелівська премія з хімії за 1996 рік була присуджена саме першовідкривачам фулеренів Роберту Керлі, Гарольду Крото і Річарду Смаллі). В кінці 80-х, початку 90-х років, після того як була розроблена методика отримання фулеренів в макроскопічних кількостях, було виявлено безліч інших, як більш легких, так і більш важких фулеренів: починаючи від C20 (мінімально можливого з фулеренів) і до C70, C82, C96, і вище (деякі з них показані на Рис.1).
Однак різноманітність вуглецевих каркасних структур на цьому не закінчується. У 1991 році, знову-таки зовсім несподівано, були виявлені довгі, циліндричні вуглецеві утворення, що одержали назви нанотрубок (Рис.2). Візуально, структуру таких нанотрубок можна уявити собі так: беремо графітову площину, вирізаємо з неї смужку і "склеюємо" її в циліндр (застереження: таке згортання графітової площини - це лише спосіб уявити собі структуру нанотрубки; реально нанотрубки ростуть зовсім по-іншому). Здавалося б, що простіше - береш графітову площину і звертаєш в циліндр! - Однак до експериментального відкриття нанотрубок ніхто з теоретиків їх не передбачав! Так що вченим залишалось лише вивчати їх - та дивуватись!
А дивного було багато. По-перше, різноманітність форм: нанотрубки могли бути великі і малі, одношарові і багатошарові, прямі (рис.2, б) і спіральні (Ріс.2в). По-друге, не дивлячись на крихкість і навіть ажурність, нанотрубки виявились на рідкість міцним матеріалом, як на розтяг, так і на вигин. Більш того, під дією механічних напруг, які перевищують критичні, нанотрубки також ведуть себе екстравагантно: вони не "рвуться" і не "ламаються", а просто-напросто перебудовуються! Далі, нанотрубки демонструють цілий спектр самих несподіваних електричних, магнітних, оптичних властивостей. Наприклад, в залежності від конкретної схеми згортання графітової площини, нанотрубки можуть бути і провідниками, і напівпровідниками! Чи може який-небудь інший матеріал з таким простим хімічним складом похвалитися хоча б частиною тих властивостей, якими володіють нанотрубки?!
Нарешті, вражає різноманітність застосувань, які вже придумані для нанотрубок. Перше, що напрошується само собою, це застосування нанотрубок в якості дуже міцних мікроскопічних стержнів і ниток. Як показують результати експериментів і чисельного моделювання, модуль Юнга одношарової нанотрубки досягає величин порядку 1-5 ТПА, що на порядок більше, ніж у сталі! Правда, в даний час максимальна довжина нанотрубок складає десятки і сотні мікронів - що, звичайно, дуже велике в атомним масштабами, але занадто мало для повсякденного використання. Проте довжина нанотрубок, одержуваних в лабораторії, поступово збільшується - зараз вчені вже впритул підійшли до міліметровому межі: див. роботу [1], де описано синтез багатошарової нанотрубки довжиною в 2 мм. Тому є всі підстави сподіватися, що в недалекому майбутньому вчені навчаться вирощувати нанотрубки довжиною в сантиметри і навіть метри! Безумовно, це сильно вплине на майбутні технології: адже "трос" товщиною з людську волосину, здатний утримувати вантаж в сотні кілограм, знайде собі незліченну безліч застосувань.
Нанотрубки можуть виступати не тільки в ролі досліджуваного матеріалу, але і як інструмент дослідження. На основі нанотрубки можна, наприклад, створити мікроскопічні терези. Беремо нанотрубку, визначаємо (спектроскопічними методами) частоту її власних коливань, потім прикріплюємо до неї досліджуваний зразок і визначаємо частоту коливань навантаженої нанотрубки. Ця частота буде менше частоти коливань вільної нанотрубки: адже маса системи збільшилася, а жорсткість залишилася колишньою (згадайте формулу для частоти коливань вантажу на пружинці). Наприклад, в роботі [2] було виявлено, що вантаж зменшує частоту коливань з 3.28 МГц до 968 кГц, звідки була отримана маса вантажу 22 + - 8 фг (фемтограмм, тобто 10-15 грам!)
Інший приклад, коли нанотрубка є частиною фізичного приладу - це "насадження" її на вістря скануючого тунельного або атомного силового мікроскопа. Зазвичай таке вістря є гостро заточену вольфрамову голку, але по атомних мірками така заточка все одно достатньо груба. Нанотрубка ж являє собою ідеальну голку діаметром близько декількох атомів. Прикладаючи певну напругу, можна підхоплювати атоми і цілі молекули, що знаходяться на підкладці безпосередньо під голкою, і переносити їх з місця на місце.
Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним з основних матеріалів наноелектроніки. Вже зараз створені дослідні зразки польових транзисторів на основі однієї нанотрубки: прикладаючи замикаючий напруга кількох вольт, вчені навчилися змінювати провідність одношарових нанотрубок на 5 порядків!
Ще одне застосування в наноелектроніці - створення напівпровідникових гетероструктур, тобто структур типу метал / напівпровідник або стик двох різних напівпровідників. Тепер для виготовлення такої гетероструктури не треба буде вирощувати окремо два матеріали і потім "зварювати" їх один з одним. Все, що потрібно, це в процесі росту нанотрубки створити в ній структурний дефект (а саме, замінити один з вуглецевих шестикутників п'ятикутником). Тоді одна частина нанотрубки буде металічною, а інша - напівпровідником!
Розроблено вже і кілька застосувань нанотрубок в комп'ютерній індустрії. Наприклад, створені та випробувані прототипи тонких плоских дисплеїв, працюють на матриці з нанотрубок. Під дією напруги, що прикладається до одного з кінців нанотрубки, з іншого кінця починають випускати електрони, які потрапляють на фосфоресціює екран і викликають світіння пікселів. Виходить при цьому зерно зображення буде фантастично малим: порядку мікрона!
За допомогою того ж атомного мікроскопа можна проводити запис і зчитування інформації з матриці, що складається з атомів титану, що лежать на a-Al2O3 підкладці. Ця ідея вже також реалізована експериментально: досягнута щільність запису інформації становила 250 Гбіт/см2. Проте в обох цих прикладах до масового застосування поки далеко - надто вже дорого обходяться такі наукомісткі нововведення. Тому одна з найголовніших завдань тут - розробити дешеву методику реалізації цих ідей.
Порожнечі всередині нанотрубок (і вуглецевих каркасних структур взагалі) також привертали увагу вчених. У самому справі, а що буде, якщо всередину фулерену помістити атом якого-небудь речовини? Експерименти показали, що інтеркаляція (тобто впровадження) атомів різних металів змінює електричні властивості фулеренів і може навіть перетворити ізолятор в надпровідник! А чи можна таким же чином змінити властивості нанотрубок? Виявляється, так. У роботі [3] вчені змогли помістити всередину нанотрубки цілий ланцюжок з фулеренів з уже впровадженими в них атомами гадолиния! На Рис.3 схематично показана структура такої нанотрубки і наведений знімок, отриманий дослідниками за допомогою електронної мікроскопії. Електричні властивості такої незвичайної структури сильно відрізнялися як від властивостей простий, порожнистої нанотрубки, так і від властивостей нанотрубки з порожніми фулеренами всередині. Як, виявляється, багато значить валентний електрон, що віддають атомом металу в загальне розпорядження! До речі, цікаво відзначити, що для таких сполук розроблені спеціальні хімічні позначення. Описана вище структура записується як Gd @ C60 @ SWNT, що означає "Gd всередині C60 всередині одношарової нанотрубки (Single Wall NanoTube)".
У нанотрубки можна не тільки "заганяти" атоми і молекули поодинці, але і буквально "вливати" речовина. Як показали експерименти, відкрита нанотрубка має капілярними властивостями, тобто вона як би втягує в себе речовину. Таким чином, нанотрубки можна використовувати як мікроскопічні контейнери для перевезення хімічно або біологічно активних речовин: білків, отруйних газів, компонентів палива і навіть розплавлених металів. Потрапивши всередину нанотрубки, атоми чи молекули вже не можуть вийти назовні: кінці нанотрубок надійно "запаяні", а вуглецеве ароматичне кільце занадто вузьке для більшості атомів. У такому вигляді активні атоми чи молекули можна безпечно транспортувати. Потрапивши в місце призначення, нанотрубки розкриваються з одного кінця (а операції "запаювання" і "розпаювання" кінців нанотрубок вже цілком під силу сучасної технології) і випускають свій вміст в суворо визначених дозах. Це - не фантастика, експерименти такого роду вже зараз проводяться в багатьох лабораторіях світу. І не виключено, що через 10-20 років на базі цієї технології буде проводитися лікування захворювань: скажімо, хворому вводять в кров заздалегідь приготовані нанотрубки з дуже активними ферментами, ці нанотрубки збираються в певному місці організму якимись мікроскопічними механізмами і "розкриваються" у певний момент часу. Сучасна технологія вже практично готова до реалізації такої схеми.
Список літератури
Z. Pan et al, "Very long carbon nanotubes", Nature 394 (1998) 631.
http://electra.physics.gatech.edu/group/labs/tubelab.html
K. Hirahara et al, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5384 і http://focus.aps.org/v6/st25.html - експерименти з фулеренами всередині нанотрубок.
http://www.ee.buffalo.edu/ ~ dshaw/ee550/fall1999/yang/report /, http://www.rci.rutgers.edu/ ~ rdebari / intro.html, http://www.pa .msu.edu / cmp / csc / ntproperties / - сайти, присвячені дослідженню нанотрубок. Тут можна знайти безліч подальших посилань на оригінальні роботи, на сайти лабораторій і т.д.
І. П. Іванов