Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

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.

Сообщается, что метод PEVCD позволяет значительно понизить рабочую температуру процесса выращивания нанотрубок за счет того, что активные атомы углерода возникают в плазменной струе, а не под воздействием сверхвысокой температуры (как это имеет место при выращивании химическим осаждением из газовой фазы). Наиболее интересным представляется применение однослойных нанотрубок в электронике, но именно там к их чистоте предъявляются самые строгие требования. В настоящее время высокочистые SWTN коммерчески производят лишь немногочисленные компании, поэтому стоимость порошков остается слишком высокой для широкого применения.

Понятно, что при любом коммерческом использовании нанотрубок в электронике основной технической проблемой станет создание схем из трубок на поверхности пластинок разного типа (из кремния, из кремния на изоляторе и т. п.). При этом трубки должны укладываться с учетом специфической ориентации, что представляет собой сложную проблему. В настоящее время существуют два основных подхода к решению этой задачи. Прежде всего, трубки могут выращиваться на подложке с предварительно распределенными специфическими катализаторами, что позволяет создавать структуры типа показанной на рис. 13.4, внутри которых может быть обеспечен рост трубок в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от нанесенных на участок специфических катализаторов роста). В других случаях требуемая схема может формироваться из неориентированных трубок за счет использования особенностей растворов и т. д.