Освоен метод синтеза углеродных нанотрубок с заданными свойствами

В статье, анонсированной на обложке свежего номера престижного издания Nature, рассказывается об успехе, достигнутом учеными Empa (Швейцария) и Института исследований твердого тела им. Макса Планка (Германия). Впервые в мире им удалось вырастить углеродные нанотрубки (CNT), имеющие одинаковую, строго предопределенную структуру, а значит и абсолютно идентичные электронные свойства. В будущем такие CNT получат применение в высокочувствительных световых сенсорах и сверхминиатюрных транзисторах.

При диаметре примерно один нанометр одностенные нанотрубки (SWCNT) можно рассматривать как квантовые системы. Малейшие структурные вариации (диаметра или ориентации атомной решетки) могут выражаться в значительном изменении электронных характеристик. Одна SWCNT может быть металлической, а другая почти такая же — полупроводящей. Поэтому понятен интерес к надежным методам изготовления структурно однородных нанотрубок.

Идея нового метода — синтез снизу-вверх — была сформулирована еще 15 лет назад, но реализовать ее в лабораторных условиях удалось только сейчас. Самым трудным, по словам авторов, было найти подходящую стартовую молекулу, которая на плоской поверхности давала бы начало зародышу с требуемой структурой. В конце концов, такую молекулу углеводорода, состоящую из по меньшей мере 150 атомов, смогли синтезировать в институте Макса Планка.

Молекулярный процесс самосборки напоминает складывание оригами. Он начинается на горячей поверхности платинового катализатора. В ходе реакции атомы водорода удаляются и в предопределенных точках происходит формирование углерод-углеродных связей. При этом из плоской молекулы формируется полусферический «колпачок», который в итоге станет верхним окончанием нанотрубки.

На втором этапе к краю зародыша присоединяются дополнительные атомы углерода, высвобождающиеся при каталитическом распаде этилена на поверхности платины. Таким образом длина CNT постепенно увеличивается.

Проанализировав режимы колебаний SWCNT и данные измерений на сканирующем туннельном микроскопе, ученые установили, что структура растущей нанотрубки полностью определяется молекулярным зародышем.

Дальнейшие исследования с применением нового сканирующего микроскопа на ионах гелия показали, что длина итоговых SWCNT превосходит 300 нм.

Все нанотрубки, выращенные в эксперименте были прямыми, однако, изменяя угол примыкания гексагональной решетки к зародышу, в принципе можно получать CNT, спирально накручивающиеся влево или вправо, что также будет определять электронные, термоэлектрические и оптические свойства наноматериала.

Авторы продолжают работу над совершенствованием этой технологии. Их ближайшая цель: увеличить долю полностью выросших CNT в получающемся массиве — пока она сравнительно невелика.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365