13.3. Неуглеродная шарообразная молекула

Возникает вполне резонный вопрос – возможно ли существование шарообразных молекул из других неуглеродных атомов, например, кремния или азота? Работы последних лет убедительно показывают, что это возможно. Исследователям из Японии удалось создать корзинообразные структуры из кремния. Однако, в отличие от углерода, один кремний не может образовывать замкнутые структуры. Как было показано, кремний может формировать замкнутую структуру вокруг атома вольфрама в виде гексагональной клетки. Потенциальной областью применения таких структур являются компоненты квантовых компьютеров, химические катализаторы, сверхпроводники нового поколения.

К настоящему моменту предсказано множество стабильных замкнутых структур из других типов атомов помимо углерода. Например, методом плотности функционала показано, что кластер N₂₀ должен быть стабильным и иметь додекаэдрическую структуру. Данное вещество должно быть очень мощным взрывчатым веществом – примерно в три раза мощнее наиболее энергоемких современных обычных взрывчатых материалов. Однако, как предсказывают технологи, реальный синтез N₂₀ может оказаться крайне сложным.

13.4. Углеродные нанотрубки

Не менее интересными наноструктурами с крайне широким потенциалом применения являются углеродные нанотрубки. Условно углеродную нанотрубку можно представить как лист графита, свернутый в цилиндр. Однослойная нанотрубка может иметь диаметр порядка 2 нм и длину 100 мкм, т.е. возникает фактически квазиодномерная структура, способная служить так называемой нанопроволокой. При этом различают следующие структурные элементы в зависимости от типа формирования нанотрубок (рис. 13.4).

кресельная структура	зигзагообразная структура	хиральная структура

Рис. 13.4. Основные элементы структуры нанотрубок

13.4.1. Методы получения нанотрубок

Углеродные нанотрубки можно получать лазерным испарением, углеродной дугой и химическим осаждением паров. Рассмотрим установку для синтеза нанотрубок методом лазерного испарения.

Кварцевая трубка, содержащая мишень из графита, находящуюся в газообразном аргоне, нагревается до 1200⁰С. Внутри трубки, но за пределами печи, находится охлаждаемый водой медный коллектор. Графитовая мишень содержит небольшие количества кобальта и никеля, которые выступают в качестве каталитических зародышей образования нанотрубок.

Рис. 13.5. Схема установки для получения нанотрубок углерода

методом лазерного испарения в среде аргона

При попадании высокоинтенсивного пучка импульсного лазера на мишень графит начинает испаряться. Поток аргона выносит атомы углерода из высокотемпературной зоны к охлажденному медному коллектору, на котором и происходит образование нанотрубок. Таким образом, возможно получение нанотрубок диаметром 10-20 нм и длиной 100 мк.

Нанотрубки можно синтезировать, используя углеродную дугу. К электродам из углерода диаметром 5-20 мм, разнесенным на расстояние порядка 1 мм в потоке гелия при давлении 500 Тор, прикладывается напряжение 20-25 В. Атомы углерода вылетают из положительного электрода и образуют нанотрубки на отрицательном электроде, при этом длина положительного электрода уменьшается, а на отрицательном электроде осаждаются углеродный материал. Для получения однослойных нанотрубок в центральную область положительного электрода добавляют небольшие количества кобальта, никеля или железа в качестве катализатора.

Если не использовать катализаторы, то получаются вложенные друг в друга многослойные нанотрубки (рис. 13.6).

Метод химического осаждения из паровой фазы заключается в разложении газообразного углерода, например метана CH₄ при 1100⁰С. При разложении такого газа образуются свободные атомы углерода, конденсирующиеся затем на более холодной подложке, которая может содержать разнообразные катализаторы, например Fe. Химическое осаждение позволяет получать продукт непрерывно и, вообще говоря, является наиболее предпочтительным для увеличения масштабов изготовления при промышленном производстве.

Рис. 13.6. Многослойная нанотрубка

Механизм роста нанотрубок до сих пор неясен. Поскольку для роста однослойных нанотрубок необходим металлический катализатор, то механизм должен объяснять роль атомов катализатора (кобальта и никеля или др.) в процессе роста. Один из предлагаемых механизмов, называемый ″механизмом скутера″, состоит в том, что атомы металлического катализатора присоединяются к оборванным связям на открытом конце трубки и, обегая ее по краю, способствуют захвату атомов углерода из паровой фазы и их встраиванию в стенку трубки.

Обычно при синтезе получается смесь нанотрубок разных видов с различным типом и величиной электропроводности. Так, например, исследовательская группа из фирмы IBM разработала метод отделения полупроводниковых нанотрубок от металлических. Для разделения двух разных типов трубок смешанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую подложку, а затем на эти пучки напыляют металлические электроды. Используя подложку как электрод, на него подают небольшое напряжение смещения, запирающее полупроводниковые трубки и эффективно превращающее их в изоляторы. Затем между металлическими электродами прикладывают высокое напряжение, создающее большой ток в металлических нанотрубках, что приводит к их испарению, после чего на подложке остаются только полупроводниковые нанотрубки.