Углеродные нанотрубки - история открытия, структура

Углеродные нанотрубки были впервые синтезированы в 1991 г. С. Иджима. Исследуя под электронным микроскопом осадок, образовавшийся при распылении графита в электрической дуге не на стенках камеры, как другие исследователи, а на катоде, он обнаружил однослойные и многослойные трубочки длиной в несколько микрон и диаметром в несколько нанометров. Каждый слой трубки представлял собой свернутую сетку графита, и расстояние между этими сетками-слоями оставалось практически такое же, как между слоями графита. Обычно углеродные нанотрубки закрыты на концах «шапочками». В однослойных нанотрубках эти шапочки напоминают половинки фуллерена и состоят из шести пентагональных колец, в многослойных - имеют сложную структуру.

Если фуллерен представляет собой многоатомную молекулу углерода, то углеродные нанотрубки рассматриваются как нанообъекты, в которых сочетаются свойства молекул и макроскопического твердого тела.

Теоретически идеальную нанотрубку можно получить, сворачивая плоскую гексагональную сетку графита под разными углами. Угол определяет важную структурную характеристику нанотрубки, которая называется хиральностью. От хиральности зависит диаметр трубки, так как в результате свертывания не должна искажаться структура гексагональной сетки. От хиральности зависят и свойства нанотрубки, прежде всего характер ее проводимости. При определенной хиральности нанотрубки обладают металлическим типом проводимости, при других являются полупроводниками. На рисунке 4.5 приведен пример схемы получения нанотрубки определенной хиральности. Точки А и В - начало и конец вектора , равного:

где n и m - целые числа. Чтобы получить нанотрубку, надо свернуть графитовый лист, соединив точки А и В. В зависимости от значения п и т получаются трубки разного диаметра и различной хиральности: при п = т - кресельные трубки, при т = 0 - зигзагные. При других значениях п и т получаются трубки произвольной хиральности. В изображенном на рисунке 4.5 случае п = т = 3.

Многослойные нанотрубки могут быть похожи на свиток либо образовывать так называемую «русскую матрешку» - вложенные друг в друга однослойные нанотрубки. С увеличением числа слоев начинают проявляться различные дефекты структуры, образуются изогнутые и спиралевидные нанотрубки, которые складываются в сложные протяженные структуры. Получены разветвленные углеродные нанотрубки, что представляет интерес для наноэлектроники.

Самые маленькие на сегодняшний день нанотрубки имеют диаметр 0,4 нм - теоретически такой размер является пределом. Однако с помощью электронного микроскопа высокого разрешения была обнаружена нанотрубка диаметром всего 0,28 нм. Она является метастабильной и, видимо, поэтому существует только внутри другой многослойной трубки. Кроме того, получены углеродные нанонити. На рисунке 4 цветной вклейки приведен итог компьютерного моделирования многостенной углеродной трубки с углеродной нанонитью внутри.

Исследование свойств нанотрубок затрудняется тем, что обычно в эксперименте получают набор различных углеродных структур. Только в 1996 г. удалось начать экспериментальные измерения свойств отдельных нанотрубок.