Углеродные нанотрубки и их характеристики¶

Углеродные нанотрубки — аллотропная модификация углерода, представляющая собой полые цилиндрические структуры диаметром от долей до десятков нанометров, образованные свёрнутыми в трубку графеновыми слоями. Атомы углерода в стенках нанотрубки соединены в гексагональную (шестиугольную) решётку, аналогичную структуре графита. Благодаря нанометровому масштабу и уникальной геометрии материал сочетает исключительно высокую механическую прочность, электро- и теплопроводность, а также огромную удельную поверхность.

¶История открытия

Углеродные нанотрубки наблюдались в электронных микроскопах ещё в 1950–1970-х годах, однако их систематическое изучение началось позже. В 1991 году японский исследователь Сумио Иидзима, работавший в компании NEC, опубликовал работу о многослойных нанотрубках, полученных в дуговом разряде. В 1993 году он же совместно с Дональдом Бетьюном описал однослойные нанотрубки. Эти публикации вызвали широкий интерес к материалу.

¶Классификация

По числу слоёв выделяют два основных типа:

• Однослойные (SWCNT) — одна свёрнутая графеновая оболочка диаметром обычно 0,4–2 нм.
• Многослойные (MWCNT) — несколько концентрических трубок, вложенных одна в другую; диаметр достигает десятков нанометров.

По ориентации гексагональной решётки относительно оси трубки различают «кресловидные» (armchair), «зигзагообразные» (zigzag) и хиральные нанотрубки. Тип хиральности определяет, будет ли трубка металлической или полупроводниковой.

¶Характеристики

Механические свойства обусловлены прочными ковалентными связями C–C. Электронные свойства зависят от диаметра и хиральности: небольшие изменения геометрии переводят трубку из проводящего состояния в полупроводниковое.

¶Методы получения

Основные способы синтеза:

• Дуговой разряд — испарение графитовых электродов в атмосфере инертного газа.
• Лазерная абляция — испарение графитовой мишени лазером.
• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — разложение углеродсодержащих газов на катализаторе; наиболее распространённый промышленный метод.

¶Применение

Нанотрубки рассматриваются как наполнители композитов для повышения прочности, элементы полевых транзисторов и сенсоров, компоненты литиевых аккумуляторов и суперконденсаторов, а также как материал для проводящих покрытий и зондов сканирующей микроскопии.

¶Ограничения

Практическое применение сдерживают высокая стоимость, трудность получения однородных образцов с заданной хиральностью и склонность к агломерации. Отдельные исследования указывают на возможную токсичность при попадании в организм, что требует дополнительных проверок.