Фуллерены и нанотрубки

Нанометр равен одной миллиардной доли метра. Ясно представить себе столь малую частицу невозможно. Мы привыкли иметь дело с телами куда больших размеров. И, тем не менее, мир наночастиц существует, мир со своими законами и свойствами. Человечество начало осваивать его. И это обещает коренные изменения всей нашей жизни.

Фото: фуллерены и нанотрубки, интересные факты

Открытие фуллеренов

Давным-давно были известны два вида углерода — графит и алмаз. Первый состоит из плоских слоёв, лежащих один на другом, как карты в колоде. В каждом из них связи между атомами очень прочны, но сами слои соединены довольно слабо, легко сдвигаются и ломаются.
Вот почему графит так широко используется для изготовления карандашей. При трении о бумагу эта форма углерода оставляет на бумаге след в виде надписей или рисунков. Иное дело алмаз — самое твёрдое и самое прочное вещество в природе. Его атомы связаны между собой так, что образуется необычайно крепкая кристаллическая решётка.
Когда в 1985 году группа химиков — американцы Ричард Смолли, Роберт Керл и англичанин Гарольд Крото — открыла новую разновидность углерода, это стало сенсацией. Некоторые учёные первое время даже отказывались верить удивительному сообщению, считая, что произошла какая-то ошибка. Однако повторные исследования других учёных подтвердили открытие, и 10 лет спустя Смолли, Крото и Керл были удостоены Нобелевской премии.
Молекула этой формы углерода имела кристаллическую решётку, состоящую из 60 атомов. По виду молекула резко отличалась от известных и напоминала футбольный мяч, сшитый из многогранных лоскутков кожи.
Новый вид графита был назван фуллереном в честь архитектора Ричарда Фуллера, первым спроектировавшего и построившего купол здания, похожий по конструкции на такую молекулу.
Для нанотехнологий открытие учёных-химиков имело огромное значение. Фуллерены — это наночастицы, обладающие некоторыми чертами графита и алмаза, но имеющие и свои, очень ценные особенности.

Рекордсмены прочности

Оказалось, фуллерены могут иметь форму не только мяча, но и дыни, и быть построенными из 70-80 атомов. Вещества, содержащие фуллерены, способны служить основой для производства полимеров, очень прочных плёнок. Кристаллы (фуллериты) нашли применение в электронике, в компьютерных технологиях.
А вскоре были открыты ещё более удивительные наночастицы углерода, родственники фуллеренов. Произошло это в 1991 году. Исследуя сажу, которая появлялась после электродугового разряда, японский учёный Сумио Ииджима увидел незнакомые наночастицы в виде трубок с закруглёнными концами и сетчатыми стенками — углеродные нанотрубки, цилиндры диаметром всего около одного нанометра (то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса) и длиной несколько сотых миллиметра. Выяснилось, что они бывают однослойными и многослойными, как бы вставленными одна в другую, состоят из нескольких миллионов атомов и обладают просто фантастическими свойствами.
Во-первых, поражает их прочность. Они раз в 100 прочнее самой лучшей стали, но при этом гибкие и намного легче. Как показывают расчёты, на нить из нанотрубок можно подвесить автобус вместе со всеми пассажирами, и она выдержит. Считается, что нанотрубки — рекордсмены прочности, крепче материала создать невозможно.
Удивительно и другое. Нанотрубки могут быть отличными проводниками электричества и полупроводниками, а значит — просто бесценными материалами в электронике.

Знаете ли вы что…

Один из самых грандиозных проектов получения альтернативной энергии — «Солнечная башня» (Австралия) электростанция, работающая одновременно на солнце и воздухе. Расчётная мощность башни — 200 мегаватт.

Они понадобятся везде

И нанотрубки уже используются для изготовления крохотных, наноразмерных транзисторов. Чудо-трубки служат также идеальными проводами. По ним, сверхпроводникам, электрический ток огромной силы будет проходить без сопротивления и выделения тепла. При таком токе обычный провод от сильнейшего нагрева мгновенно превратился бы в пар.
Сделанные из материалов с нанотрубками самолёты, ракеты, космические аппараты, автомобили становятся прочнее и легче. А военные машины, имеющие покрытия на основе нанотрубок, превращаются в невидимок для радаров. Китайские нанотехнологи изготовили из нанотрубок необыкновенно прочные нитки. Английские — получили сверхпрочную бумагу.
Есть у этих замечательных наночастиц ещё одно очень важное свойство: они могут хранить в своих внутренних полостях газообразные вещества, например водород.
Он, как известно, — прекрасное горючее. Этот газ — самый лёгкий в природе и на единицу своей массы выделяет энергии намного больше, чем другие виды топлива. Подсчитано, что для пробега в тысячу километров автомобилю потребовалось бы всего пять-шесть килограммов водорода.
Но беда в том, что для хранения такого запаса потребуются огромные баллоны, которые на автомобиле просто не поместятся. К тому же сами по себе они тяжелы и небезопасны.
Но есть прекрасный выход: использовать нанотрубки. Они могут вместить огромное количество водорода. И это уже не фантазия. Японские компании работают над созданием легкового автомобиля с водородным баком из нанотрубок. Конечно, кроме подобных машин нужно организовать ещё и водородные заправочные станции. И они уже тоже строятся.

Как же их выращивать?

В нанотрубках могут храниться не только газы, но и различные жидкие вещества. Например, надёжные наноконтейнеры предназначены для перевозки вредных и ядовитых веществ. Дело в том, что попавшие внутрь нанотрубки атомы и молекулы выйти обратно уже не способны: концы трубок закрыты, а ячейки их сетчатых стенок слишком малы для прохода. На месте же доставки концы нанотрубок вскрываются (способы этого уже изобретены), и содержимое наноконтейнера выпускается наружу.
Пока производство нанотрубок обходится крайне дорого и осуществляется довольно медленно. К тому же длина трубок весьма мала, в лучшем случае, измеряется несколькими миллиметрами. Но это сейчас. Со временем, надеются нанотехнологи, они научатся выращивать нанотрубки длиной в десятки, а то и сотни метров. Наука и техника непрерывно развиваются, и то, что невозможно сегодня, завтра становится вполне реальным. Так бывало не раз.
Как уже говорилось, впервые углеродные нанотрубки были замечены японцем Сумио Ииджимой в саже, образовавшейся на электроде после дугового разряда. С тех пор многие исследователи пытались выяснить загадку возникновения этих странных наночастиц, найти способ получения их в достаточном количестве и в чистом виде, без примесей.
Усилия нанотехнологов оказались ненапрасными. Им удалось разработать даже не один, а несколько разных способов. Общее же в них то, что нанотрубки создаются из углерода химическим путём при очень высокой температуре. Самый распространённый метод — так называемый метод электродугового распыления графита.

Ловушки для нанотрубок

Сущность его состоит в следующем. В закрытой камере, заполненной каким-либо инертным газом, между двумя электродами, анодом и катодом, создаётся электрический разряд. Температура плазмы, рождающейся при этом, достигает нескольких тысяч градусов.
При столь высокой температуре поверхность одного из электродов, анода, быстро испаряется. Пары осаждаются на холодных стенках камеры и другом электроде, катоде. Ради этих-то осадков все и делается. Именно в них с помощью электронных микроскопов находят затем нанотрубки и фуллерены.
Во втором способе, под названием «лазерное испарение графита», используются, как ясно уже из самого названия, лучи лазера. «Графитовую мишень» помещают в специальную печь с температурой в тысячу градусов и выше. «Мишень» обдувается газом — гелием или аргоном — и облучается лазером. Распыленный графит уносится газовым потоком в сторону и осаждается вместе с нанотрубками на холодных стенках.
Увы, описанные способы не позволяют получать нанотрубки в большом количестве. Но, к счастью, есть ещё один метод, разработанный российскими учёными. Он именуется «методом химического осаждения». Особенность его заключается в том, что смесь двух газов — ацетилена и азота — прогоняется через кварцевую трубку, расположенную в печи. Трубка раскалена, вместе с ней раскаляется и газовая смесь. Там же, в трубке, находится металлический порошок, катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию. На поверхности этого порошка и возникают фуллерены и нанотрубки. Таким способом удаётся получить уже достаточно много чудесных частиц. А их требуется всё больше — и для научных опытов, и для промышленности.

Журнал: Тайны 20-го века №5, февраль 2011 года
Рубрика: В лабораториях учёных
Автор: Геннадий Черненко





Исторический сайт Багира, история, официальный архив; 2010 —