Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

И в сущности, никого это особо не интересовало. Углеродные трубки, или “усы”, были не просто бесполезными, но и вредными созданиями, ведь они вырастали на поверхности различных металлических катализаторов как побочный продукт превращения углеродсодержащих веществ. Они засоряли поверхность катализатора и снижали тем самым производительность процесса. Боролись с ним просто и кардинально – выжигали в самом прямом смысле слова кислородом.

Интерес к углеродным нанотрубкам возник лишь после открытия фуллеренов. Можно сказать, что “открытие” углеродных нанотрубок было предопределено и поэтому не вызвало большого ажиотажа. Собственно, научное сообщество его даже не заметило, ученые долго спорили, кому же принадлежит приоритет, но спорили как-то вяло, несообразно значимости открытия. В конце концов, большинством голосов пальму первенства в их синтезе отдали Сумио Ииджиме из японской компании “NEC”, который в 1991 году сообщил о получении многостенных нанотрубок при распылении графита в электрической дуге, то есть при модификации метода синтеза все тех же фуллеренов.Ажиотаж начался, когда ученые изучили свойства этих ранее бесполезных и вредных образований, в первую очередь их электрические свойства. Чтобы вам лучше было понятно дальнейшее, давайте вернемся ненадолго к нашему конструктору. Опять сложим длинную плоскую полоску и свернем ее в трубку. И вот тут-то обнаружится, что соединить противоположные стороны листа можно по-разному, сдвигая эти стороны относительно друг друга на длину, кратную длине одного шестиугольника. Во всех случаях будут получаться цилиндрические трубки с одинаковыми по размеру шестиугольниками на поверхности, но трубки при этом будут разными! Чтобы убедиться в этом, достаточно разрезать трубку по линии, перпендикулярной ее оси.Так вот, это незначительное на первый взгляд различие в структуре имеет драматическое влияние на электрические свойства углеродных нанотрубок. Если трубка свернута “ровно”, то она обладает “металлическими” свойствами и хорошо проводит электрический ток. Оценочно плотность тока может доходить до миллиарда ампер на квадратный сантиметр. Для сравнения: медный провод плавится и выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр. Это обусловлено практическим отсутствием в нанотрубке дефектов, рассеивающих электроны, и, как следствие, очень низким сопротивлением. Кроме того, нанотрубки обладают высокой теплопроводностью, что способствует эффективному рассеянию тепла, выделяющемуся при прохождении электрического тока. Если же трубка “перекручена”, то она становится полупроводником. При этом электрические свойства зависят как от строения трубки, так и от ее диаметра: чем меньше диаметр трубки, тем сильнее выражены полупроводниковые свойства.

Стало понятно, что на основе углеродных нанотрубок различного строения можно создать все основные компоненты микроэлектроники – диоды, транзисторы, соединительные провода и т. п. А с учетом размера нанотрубок речь шла уже о наноэлектронике[63]. Более того, это стало предвестием смены парадигмы в материаловедении и химии в целом. Раньше исследователи шли по пути синтеза все более сложных соединений, состоящих из атомов множества элементов, и введения разных экзотических, дорогостоящих добавок. Теперь они добивались тех же и даже лучших результатов, изменяя структуру молекул вещества, состоящего из атомов одного-единственного элемента – доступного и дешевого углерода.

Уникальными оказались и механические свойства углеродных нанотрубок. Упругость различных материалов характеризуют модулем Юнга, который показывает, насколько материал сопротивляется растяжению под действием приложенной силы. Например, модуль Юнга стали в 30 тысяч раз больше, чем резины. А у одностенных нанотрубок – в десять раз больше, чем у стали, то есть они практически не деформируются при растяжении.

При этом одностенные трубки очень упруги при изгибе. Их можно сгибать, как каучуковый стержень, а потом они сами распрямятся без повреждений. Их высокая прочность на излом при сгибе и на разрыв при растяжении обусловлена все тем же отсутствием дефектов. Одностенные нанотрубки приблизительно в двадцать раз прочнее стали (на разрыв), к тому же они в шесть раз легче. Какие тросы из них можно свить!

И это отнюдь не фантазия, нацеленная в далекое будущее. Нанотрубки сейчас вполне доступны. Один из основных методов их синтеза был разработан как раз Ричардом Смолли – он выращивал нанотрубки на поверхности металлического катализатора при подаче на него окиси углерода или углеводородов. Круг замкнулся, процесс, который считался раньше безусловно вредным, стал основой новой технологии. И это далеко не единственный пример того, как ученые, используя новые методы, возвращаются к изученным ранее процессам и обнаруживают неожиданные эффекты или продукты, на которые раньше не обращали внимания или отбрасывали за ненадобностью. Так что все же не круг, а спираль – бесконечная спираль познания мира.