Перспективы развития и применения нанотехнологий. углеродные нанотрубки – революция в сфере технологии наночастиц
Дисциплина: Химия и физикаТип работы: Доклад
Тема: Перспективы развития и применения нанотехнологий. углеродные нанотрубки – революция в сфере технологии наночастиц
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ – РЕВОЛЮЦИЯ В СФЕРЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНОЧАСТИЦ
Д.В.Маринин
Углеродные каркасные структуры
- это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая
аллотропная форма
углерода
. Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри \"оболочки\". Самая знаменитая из углеродных каркасных структур - это фуллерен
60 (Рис.1а), абсолютно неожиданное открытие, которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области. В конце 80-х, начале 90-х годов, после того как была
разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от C
20 (минимально возможного из фуллеренов) и до C
70, C
82, C
96, и выше (некоторые из них показаны на Рис.).
При изучении нанотрубок всплывают весьма интересные и удивительные качества. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные,
прямые (Рис.2а, б) и спиральные (Рис.2в). Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на
изгиб. Более того, под действием
механических напряжений
, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не \"рвутся\" и не \"ломаются\", а просто-напросто перестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый
спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и
проводниками
, и
полупроводниками
Наконец, поражает разнообразие применений, которые уже придуманы для нанотрубок. Первое, что напрашивается само собой, это применение нанотрубок в качестве очень прочных
микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования,
модуль Юнга
однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5
ТПа, что на порядок больше, чем у стали! Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микронов - что, конечно, очень велико по атомным
масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается. Поэтому есть все основания надеяться, что в
скором будущем могут появиться нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры! Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь \"трос\" толщиной с человеческий волос, способный
удерживать груз в сотни килограмм, найдет себе бесчисленное множество применений.
Нанотрубки могут выступать не только в роли исследуемого материала, но и как инструмент исследования.
На основе нанотрубки можно, к примеру, создать микроскопические весы. Берем нанотрубку, определяем
частоту ее
собственных колебаний
, затем прикрепляем к ней исследуемый образец и определяем частоту колебаний нагруженной нанотрубки. Эта частота будет меньше частоты колебаний свободной нанотрубки: ведь масса
системы увеличилась, а
жесткость
осталась прежней. [Например, было обнаружено, что груз уменьшает частоту колебаний с 3.28 МГц до 968 кГц, откуда была получена масса груза 22
фг (
фемтограмм, т.е. 10
-15 грамм!)].
Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники.
Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из
нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и
вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!
Пустоты внутри нанотрубок (и углеродных каркасных структур вообще) также привлекают внимание. В самом деле, а что будет, если внутрь фуллерена поместить атом какого-нибудь
вещества? Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е. внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в
сверхпроводник
! Оказывается можно таким же образом изменить свойства нанотрубок. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами
гадолиния
! На Рис схематично показана структура такой нанотрубки и приведен снимок, полученный исследователями с помощью электронной микроскопии. Электрические свойства такой необычной
структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Как, оказывается, много значит
валентный электрон
, отдаваемый атомом металла во всеобщее распоряжение! Кстати, интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура
записывается как Gd@C
60@SWNT, что означает \"
Gd внутри C
60 внутри однослойной нанотрубки (
Single
Wall
NanoTube)\".
В нанотрубки можно не только \"загонять\" атомы и молекулы поодиночке, но и буквально \"вливать\" вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает
капиллярными свойствами
, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных
веществ:
белков
, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно \"запаяны\", а
углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки
раскрываются с одного конца (а операции \"запаивания\" и \"
распаивания\" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты
такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному
вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными
ферментами
, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и \"вскрываются\" в определенный момент времени. Современная технология уже
практически готова к реализации такой схемы.
Также из-за высокой удельной поверхности и наличия незаполненных объемов углеродные нанотрубки обладают повышенными сорбционными свойствами. Они способны поглощать (сорбировать)
значительное количество как газообразного, так и жидкого вещества. Эта способность весьма привлекательна для создания сверхминиатюрных сенсоров, способных детектировать малейшие
примеси в атмосферном воздухе. Принци...