Литературная Газета 6435 ( № 42 2013)

В автомобилестроении – бамперы, спойлеры, накладки, дефлекторы, облицовочные панели и так далее.

Волшебный мир нанотрубок

Нанотрубки

Третья ипостась углерода

XXI век будет веком углерода. Если кто-то из читателей не согласится с этим и станет доказывать, что это будет век интернета, информационных технологий или генной инженерии, то скажем определённо - без новейших технологий, основанных на ранее неизвестных, а с житейской точки зрения просто волшебных свойствах углерода, никакой научно-технический прогресс в упомянутых областях невозможен.

Одно из самых удивительных изобретений человеческого ума – углеродные нанотрубки (УНТ). Что это такое? Это углеродная сетка, свёрнутая в трубочку, причём без каких-либо швов. А размеры этой трубки ясны из названия. Нанометр – это одна миллиардная часть метра, раньше такую малость называли миллимикроном. Но нанометр вроде бы легче выговорить.

Если взглянуть в электронный микроскоп на углеродную сетку, то можно увидеть сетчатую поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Это – третья ипостась, или, как говорят химики, аллотропная форма углерода. Первые две широко известны – это графит и алмаз. Если в тот же микроскоп взглянуть на алмаз, то у него грани в виде пирамидки, а у графита – квадратиком. Пирамидки дорого стоят, квадратиками можно писать и рисовать, а шестиугольники вскоре изменят наш мир до неузнаваемости. Но, впрочем, немного истории.

Впервые нанотрубки были изобретены в 1889 году, когда двум англичанам был выдан патент США на способ получения углеродных трубок из "болотного газа" – метана. Предполагалось делать из таких трубочек «угольные волоски» для электрического освещения. Согласно патенту, эти волоски, кроме полезных электрических свойств, могли быть изогнуты и скручены в любой форме, причём они возвращали свою первоначальную форму, как только снималась нагрузка.

В 60-е и 70-е годы прошлого века изготовлением и изучением нанотрубок занимались в американской лаборатории Парма в штате Огайо и Кентерберийском университете в Новой Зеландии. Но настоящий наноуглеродотрубочный бум во всём мире начался после того, как японец из лаборатории электроники транснациональной корпорации NEC Иджима сумел изготовить длинные цилиндры из таких трубок в 1991 году. Они обладали превосходящими всякое воображение свойствами.

Сегодняшние технологии позволяют изготавливать такие наноцилиндры длиной до нескольких сантиметров, а потом свивать из них нити любой длины.

Колдовство кривых связей

Даже научившись с помощью микроэлектродных технологий делать тончайшие манипуляции с углеродными молекулами, учёные очень долго не могли добиться желаемых свойств. Разгадка оказалась простой – свойства нанотрубки зависели от способа её свёртывания. То есть от взаимной ориентации шестиугольной (гексагональной) сетки графита и продольной оси трубки. Тогда ввели важнейшую структурную характеристику – «хиральность». Это слово греческого происхождения и означает оно отсутствие право-левой симметрии. Взгляните в зеркало – ваше лицо в общем-то симметрично. А если у вас «фонарь» под одним глазом – хирально. Хиральность нанотрубок – это просто две цифры – координаты той точки на сетке, которая в результате свёртывания должна совпасть с шестиугольником в начале координат.

Нанотрубки бывают однослойные и многослойные, прямые и спиральные, с открытыми и закрытыми концами. Каждая разновидность имеет свои полезные свойства, и мы о них расскажем. Если из графитовой сетки сделать многоугольник – икосаэдр – то получится фуллерен.

Фуллерены были обнаружены американскими учёными, которые получили за это Нобелевскую премию по химии. Название происходит от фамилии знаменитого американского архитектора Бакминстера Фуллера, который делал для своих зданий лёгкий и прочный «геодезический купол» – пространственную стальную сетчатую оболочку из прямых стержней, соединённых в пяти- и шестиугольники.

И нанотрубки, и фуллерены – это углеродные каркасные структуры, большие, а иногда и гигантские молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Главная особенность этих молекул – их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен C60 (атомный вес), абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80‑х – начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более лёгких, так и более тяжёлых фуллеренов: начиная от C20 (минимально возможного из фуллеренов) и до C70, C82, C96 и выше.