Обзор объемом 87 страниц обобщил достижения ученых в области исследования электронных свойств однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ). «Проведено подробное систематическое исследование 430 работ, в том числе 20 авторских работ, большая часть из которых опубликована за последние 5 лет, так как исследуемое направление активно развивается», – говорит Марианна Харламова. Помимо аналитической систематизации имеющихся данных, автор рассматривает теоретическую основу таких исследований – зонную теорию твердого тела, описывающую взаимодействие электронов в твердом теле.
Многоликость углерода: бриллианты, шары, трубки
Углерод имеет несколько форм существования (аллотропные модификации) и может быть найден в различных структурах. Он образует уголь и технический углерод, алмаз, графит, из которого делают грифельные карандаши, графен, фуллерены и др. Вся органическая химия основана на углероде, который составляет основу молекулы. В алмазах атомы углерода удерживаются в строго определенных положениях кристаллической решетки (что приводит к ее твердости).
В графите атомы углерода расположены гексагональными слоями, напоминающими соты. Каждый слой довольно слабо взаимодействует с верхним и нижним слоями, поэтому материал легко разделяется на хлопья, которые кажутся нам карандашными отметками на бумаге.
Если взять один такой слой шестиугольников и свернуть его в трубку, получится то, что называется углеродной нанотрубкой.
Однослойная нанотрубка представляет собой один свернутый слой, а многослойная выглядит как русская матрешка, состоящая из нескольких концентрических трубок.
Диаметр каждой трубки составляет несколько нанометров, а длина до нескольких сантиметров. Концы трубки закрыты полусферическими «крышками» – половинками молекул фуллерена (фуллерены – еще одна форма элементарного углерода, напоминающая футбольный мяч, сшитый из шестиугольников и пятиугольников). Изготовить и заполнить углеродную нанотрубку намного сложнее, чем набить изгиб пластины: чтобы адаптировать эти структуры, ученые используют методы лазерной абляции, термическое диспергирование в дуговом разряде или осаждение паров углеводородов из газовой фазы.
SWNT – это не файл cookie
Что в них такого особенного тогда?
Свойства графита (электропроводность, пластичность, металлический блеск) напоминают металлы, однако углеродные нанотрубки обладают совершенно другими свойствами, которые могут быть использованы в электронике (в качестве компонентов перспективных наноэлектронных устройств – вентилей, устройств памяти, устройств передачи данных и т. Д.) и биомедицина (как контейнеры для адресной доставки лекарств). Электропроводность углеродных нанотрубок может изменяться в зависимости от ориентации углеродных шестиугольников относительно оси трубки, от того, что входит в ее стенку, кроме углерода, на какие атомы и молекулы прикреплены к внешней поверхности трубки и к чему это. наполнен. Кроме того, однослойные углеродные нанотрубки (или ОСНТ) на удивление устойчивы к разрыву и определенным образом преломляют свет.
Марианна Харламова первой классифицировала типы «начинки» нанотрубок по их влиянию на электронные свойства ОСНТ. Автор обзора считает метод заполнения SWNT наиболее перспективным для настройки их электронных свойств.
«Это связано с четырьмя основными причинами», – говорит Марианна Харламова. «Во-первых, спектр веществ, которые могут быть инкапсулированы в каналы SWNT, широк. Во-вторых, для введения в каналы ОСНТ веществ различной химической природы разработано несколько методов: из жидкой фазы (раствор, расплав), из газовой фазы, с помощью плазмы или путем химических реакций. В-третьих, в результате процесса инкапсуляции может быть достигнута высокая степень заполнения каналов ОСНТ, что приводит к значительному изменению электронной структуры нанотрубок.
Наконец, химическое преобразование инкапсулированных веществ позволяет контролировать процесс настройки электронных свойств ОСНТ путем выбора подходящего исходного материала и условий нанохимической реакции.’
Сам автор провела экспериментальные исследования заполнения нанотрубок 20 простыми веществами и химическими соединениями, выявила влияние «начинки» на электронные свойства нанотрубок, обнаружила корреляцию между температурой образования внутренних трубок и диаметром внешних трубок и объяснил, какие факторы влияют на степень заполнения нанотрубок.