Углеродные нанотрубки

Углеродная нанотрубка

Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру, диаметром от 0,1 нм до нескольких десятков нанометров, состоящую из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных (геометрически похожих на пчелиные соты) графеновых плоскостей. В качестве источников автоэмиссии углеродные нанотрубки работают эффективно. Ультраминиатюрными полевыми транзисторами станет полупроводниковая разновидность углеродных нанотрубок, которые применяются как химические датчики и электронные устройства. Углеродные нанотрубки могут быть полупроводниками или металлами[1][2].

История открытия

Впервые о формировании углеродных «нитей» при термическом разложении газообразного углеводорода (метана) было упомянуто в патенте 1889 года. Предлагалось применять нити в электрических лампах, которые незадолго до этого были представлены Эдисоном Томасом на Всемирной выставке в Париже. Ранние сообщения о существовании углеродных «нитей» были опубликованы в двух статьях Французской академии наук. В них демонстрируется, что толстые углеродные нити, образующиеся из паровой фазы углеводорода, формируются по двухстадийному механизму. Первая стадия этого процесса включает каталитический рост нанотрубки, а вторая представляет собой её утолщение за счёт пиролитического осаждения углерода, происходящего уже без участия катализатора[3][4].

Прогресс в изучении внутренней структуры углеродных «нитей» был достигнут в 1950-х годах, что стало возможным из-за изобретения просвечивающего электронного микроскопа (первые коммерческие модели которого были выпущены компанией Siemens в 1939 году). Первое доказательство трубчатой структуры некоторых углеродных «нитей» наноразмера, полученное с помощью просвечивающей микроскопии, появилось в 1952 году в советском «Журнале физической химии». Опубликованные Владимиром Радушкевичем и Всеволодом Лукьяновичем микроскопические изображения подтвердили наличие внутренней полости в этих углеродных «нитях»[5]. Указанное в публикации увеличение микроскопа позволило установить, что диаметры углеродных трубок составляли около 50 нм, что относит их к наноразмерным объектам. Появилось множество статей в различных научных журналах, включая Carbon, от таких авторов, как Тадеуш Бэрд, Ричард Бейкер, Хорст Бём, Эндо Масахиро, Пол Перси Харрис, Адам Оберлин, Деннис Робертсон, Дэниел Уокер. В ранних просвечивающих электронных микроскопах разрешение находилось в нанометровом диапазоне, что делало невозможным различие графеновых слоёв в стенках нанотрубок. Точное подтверждение структуры многостенных углеродных нанотрубок стало достижимым только в 1970-х годах, когда разрешающая способность просвечивающих микроскопов значительно возросла[3][4][6].

В 1991 году Сумио Иидзиме опубликовал в журнале Nature новаторскую статью, описывающую образование многостенных углеродных нанотрубок в твёрдом осадке, который формировался на катоде во время электродуговых экспериментов по синтезу фуллеренов. Эта работа стала первым доказательством возможности получения многостенных углеродных нанотрубок без применения катализатора. Влияние статьи Иидзимы 1991 года объясняется сочетанием нескольких факторов, включая её публикацию в журнале Nature, читаемом учёными, проводящими фундаментальные исследования в области химии, физики и материаловедения, а также её связь с ранее сделанным и широко известным открытием фуллерена — вещества в наноразмерном состоянии. Формирование одностенных углеродных нанотрубок было впервые описано в двух статьях, вышедших в июньском номере журнала Nature в 1993 году: одна была написана Сумио Иидзимой в соавторстве с Тосинари Итихаси из японской корпорации NEC, другая — Томасом Джорджом Бетьюном-Бейкером и его коллегами из IBM (Калифорния, США). Обнаружение одностенных нанотрубок произошло в ходе неудачных попыток синтеза многостенных углеродных нанотрубок с внутренним пространством, заполненным переходными металлами. Приоритет открытия принадлежит японской группе, так как их статья была подана в журнал на месяц раньше, чем американская[3][4].

Структура

Углеродные нанотрубки представляют собой протяжённые цилиндрические структуры, формируемые одной или несколькими графитовыми плоскостями гексагональной структуры, свёрнутыми в трубку. Атомы углерода в этих нанотрубках образуют высокую прочность. Углеродные нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами: модуль Юнга превышает 1 ТПа, показывая хорошее сопротивление растяжению и сжатию, превосходящее даже алмаз. Теплопроводность нанотрубок в восемь раз выше, чем у меди, а их электропроводность демонстрирует неклассическое поведение, не соответствующее закону Ома. Из-за высокой способности пропускать электрический ток плотность тока может в тысячу раз превышать критическое значение, при котором медный провод разрушается[3][7].

Нанотрубки поддаются модификации путём присоединения различных химических групп или наночастиц, что позволяет целенаправленно изменять их собственные свойства и характеристики материалов, созданных на их основе. Углеродная нанотрубка рассматривается как свёрнутый слой графена, но в процессе синтеза могут возникать структурные дефекты. Значительное количество таких дефектов способно существенно влиять на физико-химические свойства углеродных нанотрубок, изменяя общие характеристики материала[3][7].

Возможное применение

  • Углеродные нанотрубки эффективно работают в качестве источников автоэмиссии[1].
  • Полупроводниковая разновидность углеродных нанотрубок станет ультраминиатюрными полевыми транзисторами, которые могут применяться как электронные устройства и химические датчики[1].
  • Синтез углеродных нанотрубок в соответствии с их конкретными электронными свойствами, чтобы они могли быть коммерчески жизнеспособными для предполагаемого применения[1].
  • Углеродные нанотрубки могут быть полупроводниками или металлами[1].
  • Создание материалов с примесью нанотрубок. Введение даже небольших количеств углеродных нанотрубок заметно меняет свойства полимеров, придает электропроводность, повышает теплопроводность, улучшает механические характеристики, химическую и термическую устойчивость[7].
  • Высокая электро- теплопроводность и химическая стойкость обеспечивают возможность применения углеродных нанотрубок в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов и электронных сенсоров[3].
  • Создание на основе углеродных нанотрубок биосенсоров, так как углеродные нанотрубки сопоставимы по размеру с белками и ДНК[3].
  • Использование углеродных нанотрубок в качестве основы для доставки лекарств из-за наноразмерного состояния и возможности невалентного связывания с различными биомолекулами[3].
  • Высокая удельная поверхность и химическая инертность позволяют применять углеродные нанотрубки в качестве сорбентов катионов тяжёлых металлов (Hg(II), Pb(II), Cr(VI), Cd(II), As(III)/(V), Co(II), U(VI) и др.) для очистки сточных вод[3].
  • Углеродные нанотрубки используются как подложки для металлических катализаторов (Pd, Au, Ru, Rh, CeO2, RuO2, MgO и др.) для высокотемпературных каталитических процессов, таких как риформинг и синтез Фишера — Тропша[3].

Получение

В 1991 году Сумио Иидзима впервые успешно получил углеродные нанотрубки, применив метод электродугового разряда. Изначально этот способ использовался для получения фуллеренов, но впоследствии оказался пригодным для формирования углеродных нанотрубок. Суть метода электродугового разряда заключается в создании электрической дуги между углеродными катодом и анодом, что приводит к испарению углерода с анода и его последующему осаждению на катоде в виде углеродных нанотрубок. В 1995 году исследователи из Университета Райса, включая Гуо Тинг и Ричард Смолли, успешно синтезировали углеродные нанотрубки с использованием метода лазерной абляции графита. Этот подход схож с методом электродугового разряда. Принцип лазерной абляции заключается в испарении углерода под действием лазерного излучения и последующем осаждении образовавшегося материала на охлаждаемой подложке. Однако электродуговой разряд и лазерная абляция имеют недостатки: ограниченный размер источников углерода для роста углеродных нанотрубок, затрудняя масштабирование производственного процесса, а также высокое содержание примесей в получаемых нанотрубках. Эти примеси включают фуллерены, наноразмерные графитовые частицы и аморфный углерод[3].

В 1996 году Ли Вэньчжи впервые осуществил синтез углеродных нанотрубок с применением метода химического осаждения из газовой фазы. Суть этого метода заключается в подаче углеродсодержащего прекурсора в реактор, наполненный инертным газом, где происходит его осаждение на специально подготовленную подложку с катализатором. В качестве углеродсодержащего сырья обычно используются углеводороды: ацетилен, бензол или гексан; а роль катализаторов выполняют металлы: железо, кобальт или никель. Метод химического осаждения из газовой фазы является основным подходом для промышленного получения углеродных нанотрубок. Его преимущества включают простоту аппаратурного оформления, экономичность исходных материалов, возможность производства больших объёмов нанотрубок и высокую чистоту конечного продукта. Основными факторами, влияющими на структуру углеродных нанотрубок, синтезированных с помощью метода химического осаждения из газовой фазы, являются: характеристики катализатора и подложки, состав используемого сырья, а также температура и скорость потока газа в реакторе[3].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Углеродные нанотрубки, нанокомпозиты. Neftegaz (28 марта 2024). Дата обращения: 2 ноября 2025.
  2. ↑ Будик А. «Углеродное» будущее электроники. IXBT (4 мая 2007). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  3. ↑ 3,00 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 Иванов А. В. Углеродные нанотрубки. БРЭ (18 мая 2022). Дата обращения: 2 ноября 2025. Архивировано 9 ноября 2025 года.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Поваренных М., Матвиенко Е., Павликов А., Шаталова Т. Первая находка углеродных нанотрубок в природе. «Природа» №5, 2018 (2018). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  5. ↑ За кулисами нобелевских открытий: Л.В. Радушкевич – один из первооткрывателей углеродных нанотрубок. Наука из первых рук (31 декабря 2017). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  6. ↑ Что такое углеродные нанотрубки?. Новая наука (20 октября 2019). Дата обращения: 3 ноября 2025.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Углеродные нанотрубки создают новую отрасль промышленности и материаловедения. Журнал Коммерсантъ Наука №4 (25 июля 2011). Дата обращения: 2 ноября 2025.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Углеродные_нанотрубки&oldid=2153260