предыдущая страница                                              следующая страница

1.4. Углеродные нанотрубки и графеновые нановолокна

Углеродные нанотрубки (НТ) впервые были обнаружены в продуктах электродугового испарения графита в 1991 году [35]. Однослойные нанотрубки (ОНТ) имеют в качестве основного элемента свернутый в цилиндр графеновый лист [36-40]. Графеновый лист - это лист графита моноатомной толщины. ОНТ различаются не только по диаметру, но и по расположению шестиугольников. Для описания геометрической структуры ОНТ обычно пользуются двумя индексами – m и n, которые определяются лентой, “вырезаемой” из графенового листа перед сворачиванием; m и n являются коэффициентами разложения по базисным векторам a1 и a2 (рис. 1.7) отрезка, соединяющего два атома, находящихся на противоположных сторонах ленты. При сворачивании эти два атома "сливаются". Если при сворачивании графеновой ленты каждая пара сторон шестиугольников расположена к оси трубки под углом, отличным от 0 и 90о, такие ОНТ называются хиральными. Если две стороны каждого шестиугольника перпендикулярны оси трубки, такие трубки называются ахиральными типа “кресла”. У ахиральных трубок типа “зигзаг” две стороны каждого шестиугольника параллельны оси трубки. Для ахиральных трубок типа “зигзаг” значение m или n равно нулю, а для трубок типа “кресла” m = n. В случае m ¹ n мы имеем дело с хиральными трубками.

Рис. 1.7. Схематическое изображение строения углеродных нанотрубок.

Электронные и колебательные свойства существенным образом зависят от типа трубок. Так, например, если разница ½m - n½ кратна 3, такие трубки обладают металлическими свойствами. Металлами являются также все ахиральные трубки типа “кресла”. При образовании ОНТ на торцах трубок возникают «шапочки» конической или полусферической формы, которые в отличие от боковых поверхностей содержат не только шестиугольники из атомов С, но и пятиугольники. Полусферы - это половинки молекул фуллеренов (рис. 1.8). «Шапочки» наиболее известных ОНТ (10,10) представляют собой половинки фуллерена С240.
С точки зрения атомной структуры ОНТ представляют собой замкнутые сетки, построенные из квази-sp2-гибридизованных углеродных атомов. Сетка состоит из гексагональных ячеек (на боковой поверхности цилиндра и его "торцевых полусферах") и пентагональных ячеек, расположенных только на торцевых полусферах (рис. 1.8). Диаметры и длины ОНТ варьируют соответственно в пределах 0.8-5 нм (в основном ~1-2 нм) и 1-500 мкм (чаще всего ~5-50 мкм). Углеродные ОНТ характеризуются узким интервалом изменения диаметров, что контрастирует с активированными углями, в которых размеры макро-, мезо- и микропор отличаются в сотни раз. Для ОНТ характерно образование достаточно прочных молекулярных агрегатов - их называют пучками, прядями, веревками или жгутами, в которых оси отдельных ОНТ располагаются параллельно друг другу. Наименьшее расстояние между углеродными стенками соседних ОНТ в пучках составляет 0.32 нм. Это значение близко к величине расстояния между отдельными слоями в графите и может быть изменено путем введения неорганических или органических интеркалантов, поверхностно-активных веществ или химической модификации цилиндрической поверхности НТ.

Рис. 1.8. Схема однослойной нанотрубки: а – открытой; б – закрытой с одной стороны.

Углеродные ОНТ получают при конденсации смешанного угле¬родно-металлического пара, полученного испарением соответствующей композиции, или путем каталитического пиролиза углеводородов.
Идеальные (бездефектные) электродуговые многостенные НТ составлены из вложенных друг в друга коаксиальных ОНТ. Идеальные многослойные нанотрубки (МНТ) образуются в углеродной дуге без добавок металлического катализатора в испаряемый графит. Расстояния между слоями в МНТ близки к межслоевому расстоянию в графите. Внешний диаметр электродуговых МНТ составляет 5-40 нм (наиболее типично – 15 нм), внутренний – 1-4 нм (в основном ~2 нм), а длина – 0.5-7 мкм (чаще - около 2 мкм). Однако МНТ обычно содержат большое число дефектов, поэтому многими принималось, что их сечение – это не правильные концентрические окружности, а «рулон бумаги» или даже «папье–маше». Действительно, в зависимости от условий синтеза могут образовываться НТ разной формы или одновременно нескольких форм. Однако существуют условия, при которых образуются МНТ, поперечное сечение которых представляет собой набор вложенных друг в друга концентрических окружностей.
Графитовые нановолокна (ГНВ) могут состоять из плоско-параллельных графеновых пластинок, перпендикулярных оси волокна (platelet-type GNF) (рис. 1.9, б), из длинной стопки графеновых конусов (herring-bone GNF) (рис. 1.9, а) или усеченных конусов (conical layer nanotubes, CLNT) (рис. 1.9, в).

Рис. 1.9. Схематическое изображение графитовых нановолокон.

Нередко наноразмерные тубулярные структуры рассматривают как новую квазиодномерную (1Д) форму углерода, занимающую промежуточное место в ряду известных форм углерода различной размерности: 3Д (алмаз), 2Д (графит) и ОД 9 (фуллерен).
Несмотря на короткий промежуток времени с момента открытия углеродных нанотрубок, уже определился ряд перспективных областей их применения. Одни направления использования нанотрубок совпадают с таковыми для фуллеренов. Это - химические источники тока, аккумуляторы водорода, оптические фильтры. Другие основаны на близости свойств НТ и углеродных волокон. Это - высокопрочные композиты, литиевые батарейки. Существуют также области применения, которые обусловлены уникальными свойствами самих нанотрубок. Это - полупроводниковые приборы, полевые эмиттеры, зонды туннельных микроскопов, «квантовые проволоки».
Современному состоянию методов получения, исследованию свойств углеродных наноструктур и их применению посвящено много работ [16-43].

предыдущая страница                                              следующая страница