Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Рис. 24. Простейшая схема установки для получения фуллеренов: 1 – графитовые электроды; 2 – охлаждаемые медные шины; 3 – медный корпус; 4 – упругие пластины (пружины)

Распыление графита осуществляется при пропускании через его электроды 1, расположенные на охлаждаемых шинах 2 тока с частотой 60 Гц, силой тока от 100 до 200 А и напряжением 10–20 В. Регулируя натяжение пружин 4, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием с давлением 100 торр (то же, что 1 мм рт. ст.). Эффективность испарения графита в установке может достигать 10 г/В. При этом поверхность медного корпуса 3, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, то есть графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, получится темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе образуется мелкодисперсный порошок. Его масса составляет не более 10 % массы исходной графитовой сажи. В порошке содержится до 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %). Этот метод получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно «гасят» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия поглощают энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыты показывают, что оптимальное давление гелия составляет 100 торр. При более высоком давлении агрегация фрагментов углерода затрудняется.

Для получения углеродных нанотрубок в настоящее время разработана более совершенная технология – синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Типовая схема электродуговой установки для изготовления наноматериалов, содержащих как нанотрубки и фуллерены, так и другие углеродные образования (например, конусы), показана на рис. 25.

При данном способе дуговой разряд возникает и поддерживается в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа (гелия или аргона) порядка 500 торр. Обычно межэлектродное расстояние, устанавливаемое автоматически, составляет 1–2 мм. Для получения максимального количества нанотрубок ток дуги должен составлять 65–75 А, напряжение – 20–22 В, а температура электронной плазмы – порядка 4000 К. В этих условиях графитовый анод интенсивно испаряется, поставляя отдельные атомы или пары атомов углерода внутрь камеры. Из этих паров на катоде или на охлажденных водой стенках формируются различные углеродные наноструктуры.

Рис. 25. Схема установки для получения нанотрубок электродуговым методом

В большинстве случаев на катоде формируется твердый осадок макроскопического размера (в виде плоского пятна диаметром 11–12 мм и толщиной до 1,0–1,5 мм). Он состоит из наносвязок – нитей длиной 1–3 мкм и диаметром 20–60 нм, содержащих 100–150 однослойных или многослойных нанотрубок, уложенных в гексагональную упаковку. Такие связки напоминают связки круглых бревен, которые перевозят на лесовозах, или плоские плоты на лесосплаве. Нити наносвязок и отдельные нанотрубки часто образуют беспорядочную (а иногда и упорядоченную) сеть, похожую на паутину. Пространство этой паутины заполнено другими компонентами частиц углерода. Поскольку электронная плазма дуги неоднородна, не весь графит идет на строительство нанотрубок. Из большей части графитового анода образуются различные наночастицы или даже аморфный углерод, которые можно назвать общим словом «сажа».

Чтобы освободиться от других углеродных образований, осадок подвергают ультразвуковой обработке в какой-либо жидкости: этаноле, толуоле, дихлорэтане, бензоле или иных неполярных растворителях. В результате диспергирования можно получить как отдельные нанотрубки, так и нерасщепленные наносвязки (в основном, C60 и C70) с выходом до 10 % по массе. Для отделения сажи раствор после диспергирования заливают в центрифугу. То, что остается в жидкости, и есть раствор, содержащий нанотрубки или наносвязки, которые используют для исследований и практического применения.

Считается, что при образовании фуллеренов сначала формируются жидкие кластеры углерода, а затем эти кластеры кристаллизуются в фуллерены с испусканием свободных атомов и микрокластеров. Однако имеются и другие способы образования фуллеренов (например, посредством отжига углеродных кластеров). Эти способы, в отличие от различных моделей «сборки» фуллеренов, не предусматривают определенной структуры кластеров – предшественников фуллеренов.

При абляции (испарении) графита углеродные кластеры образуются в результате конгломерации атомов и микрокластеров, состоящих из нескольких атомов, что подтверждается расчетами. Образование кластеров в парах углерода может происходить как гомогенная нуклеация (образование зародышей жидкой фазы в метастабильном пересыщенном паре) или как спиноидальный распад (разделение на фазы вещества, находящегося в термодинамически нестабильном состоянии).

Другая возможность эффективного образования больших углеродных кластеров – конгломерация нескольких кластеров, состоящих из десятков атомов. Такой процесс происходит, например, при абляции высших оксидов углерода. Масс-спектр углеродных кластеров, полученных при абляции сажи, указывает на возможность сосуществования этих двух путей образования больших углеродных кластеров: масс-спектр имеет два максимума в распределении фуллеренов. Первый максимум (n = 154) соответствует конгломерации атомов и микрокластеров, второй (n = 450–500) – конгломерации кластеров, содержащих десятки атомов. Фуллерены образуются также из изначально больших кластеров, испаренных из материала, в состав которого входит углерод. Это происходит, например, при испарении мелкодисперсной графитовой фольги или вторичной лазерной абляции того же участка поверхности графита.

Если для получения чистого С60 в макроколичествах достаточно использовать электродуговой разрядник, то получение высших фуллеренов требует сложной и дорогостоящей процедуры экстракции, основанной на жидкостной хроматографии. Этот способ позволяет не только отделить, но и накопить редко встречающиеся фуллерены С76, С84, С90 и С94. Данные процессы идут параллельно получению С60, отделение которого позволяет обогатить смесь высшими фуллеренами.

Например, при использовании угольного конденсата, полученного путем термического испарения графитового электрода под действием электрической дуги, чистый С60 выделяется при обработке смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5. Это приводит к вымыванию и последующему выделению чистого фуллерена С60. Увеличение в растворе содержания толуола до 50 % позволяет выделить чистый фуллерен С70 (рис. 26), а дальнейшее увеличение выделяет четыре желтоватые фракции. При повторном хроматографировании этих фракций на алюминиевой поверхности получаются достаточно чистые фуллерены С76, С84, С90 и С94. Обработка первой из указанных фракций, адсорбированной на алюминиевой поверхности, смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5 приводит к полному растворению молекул С70 в смеси. Оставшийся желтоватый конденсат практически полностью состоит из молекул С76, что подтверждается данными жидкостного хроматографического анализа.