Нанотрубки научились получать в промышленных масштабах

Нанотрубка, полученная новым методом, изображение получено на электронном микроскопе. Dr. Matteo Pasquali, Rice University Углеродные нанотрубки, основу для сверхпрочных материалов, можно будет получать в промышленных масштабах: благодаря изобретению американских химиков их стоимость заметно снизится.

Нанотрубка – это полый цилиндр, который образован свернутым листом толщиной всего в один атом углерода. Вся нанотрубка, по сути, является одной молекулой, поэтому материал на основе таких нанотрубок должен быть очень прочным, ведь для его разрыва потребуется рвать уже не межмолекулярные, а межатомные связи.

Нити толщиной с леску, держащие несколько тонн, невиданной надежности бронежилеты, легкие детали для авиационной и автомобильной промышленности – все это можно получить за счет использования механических свойств нанотрубок. А поскольку углеродные цилиндры проводят электрический ток и являются полупроводниками, сфера их применения расширяется на микроэлектронику, тончайшие вживляемые электроды для прямой связи мозга с компьютерными компонентами и способную производить электроэнергию гибкую ткань.

Рекорд длины нанотрубок – 18,5 сантиметра. А если к ним добавить наночастицы железа, это может стать «практически вечным элементом компьютерной памяти»:http://www.gzt.ru/topnews/science/230266.html.

Все возможные применения нанотрубок можно перечислять на нескольких страницах, но на практике их использованию мешают две проблемы – малая длина и высокая стоимость. Причем если длина нанотрубок не всегда критична, то вот стоимость – от $7 за грамм – слишком высока в подавляющем большинстве случаев.

Растворитель, теория и практика

Группа Маттео Пазолини, профессора химии и биомолекулярной инженерии, в университете Райса разработала способ синтеза углеродных нанотрубок в растворе кислоты. Точнее, ученые доработали ранее придуманный ими и описанный еще в 2004 году метод, добившись достаточно высокого качества трубок. Способ получения в сравнительно дешевом растворе хлорсульфоновой кислоты однородных по структуре нанотрубок описан, как сообщает Nanowerk, в журнале Nature Nanotechnology.

Что это такое?Хлорсульфоновая кислота – бесцветная жидкость с резким запахом. Получается из соляной кислоты и оксида серы, реактивов, которые уже производятся в промышленных количествах. Опасна при вдыхании паров, в классификации NFPA относится к 4-му (максимальному) классу вредности, но не более вредна, чем ряд других используемых на производстве веществ (например, цианидов).

Хлорсульфоновая кислота – бесцветная жидкость с резким запахом. Получается из соляной кислоты и оксида серы, реактивов, которые уже производятся в промышленных количествах. Опасна при вдыхании паров, в классификации NFPA относится к 4-му (максимальному) классу вредности, но не более вредна, чем ряд других используемых на производстве веществ (например, цианидов).

Подбор растворителя оказался нетривиальной задачей в связи с тем, что в разных жидкостях растущие нанотрубки ведут себя по-разному и предсказать их поведение достаточно сложно. Исследователи не просто пробовали разные реактивы при разных условиях: им пришлось исследовать поведение растущих трубок в разных сильных кислотах, выяснить, как на процесс их формирования влияет начальный состав раствора, и только после этого новая технология стала реальностью.

«Нам удалось подвести научный базис под синтез углеродных нанотрубок в растворе кислот, – говорит Пазолини, – и мы считаем, что разработанная в процессе работы теория пригодится и при синтезе других наноматериалов».

Разработка методов, при помощи которых можно формировать тонкие, в один атом, листы, полусферы, трубки и другие поверхности, в настоящий момент идет очень активно: за 2000-е годы ученые смогли получить сразу несколько ранее неизвестных до этого форм углерода.

Китайцы обошли всех — 18,5 сантиметра в длину

Алексей Тимошенко

Нанотрубки синтезировали давно, но вот за каждый миллиметр их длины идет нешуточная борьба. Китайские физики совершили прорыв, достигнув 18,5 см против рекордных ранее 4 см. Китайские физики совершили открытие, которое сделало на шаг ближе постройку космического лифта, создание сверхстойких бронежилетов и получение материалов с ранее недоступной прочностью. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметра.

Углеродная нанотрубка – это одна длинная молекула в виде цилиндра, и прочность нити, которая изготовлена из такой молекулы, определяется уже не межмолекулярным, а куда более сильным, межатомным взаимодействием. Разница между ними – примерно как между прочностью лески и такой же по диаметру разлохмаченной шерстяной нитки. Теоретически нанотрубки могут стать основой для материалов в десятки раз прочнее стали.

Нецелевое использование спирта

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру, – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: четыре части спирта на одну часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.

Новые возможности для микроэлектроники

Электрические свойства новых нанотрубок уже обратили на себя внимание: рекордные трубки проводят ток одинаково хорошо по всей длине. Причем, как и полагается углеродным нанотрубкам, они обладают полупроводниковыми свойствами, из одного экспериментального образца даже удалось сделать сразу сотню транзисторов. С одинаковыми, как и ожидалось, параметрами, и здесь, возможно, кроется основа для переворота в микроэлектронике.

Что же касается свойств механических, то о них ученые ничего даже не говорят: пока длинные нанотрубки получены не в том количестве, чтобы думать о возможности их использования в качестве, например, тросов для создания орбитального лифта, который мог бы вместо ракет поднимать грузы и людей в космос.

Кстати, на нанотрубках (небольшой длины) уже придумана и компьютерная память. Причем с очень высокой стабильностью хранения, с ее внедрением, возможно, про «битые» файлы можно будет забыть.

Лифт на орбиту остается мечтой

Идея орбитального лифта проста: если взять трос, прикрепить его к Земле, привязать груз и выбросить его на высоту в 36 тыс. километров, то трос не упадет обратно, а повиснет. На привязанный груз будет действовать достаточная для компенсации силы гравитации центробежная сила: точно так же можно раскрутить вокруг пальца веревку с привязанной гайкой. Главное – хватило бы прочности троса… и вот тут у космического лифта начинаются проблемы.

Расчеты показывают, что для лифта необходима прочность не менее 65 гигапаскалей, то есть нить сечением 1 квадратный миллиметр должна держать хотя бы 650 кг. Тонкая леска из такого материала должна поднимать взрослого человека, а веревка толщиной с бельевую – тянуть товарный состав. Пока таких материалов попросту нет.

Кварцевое волокно выдерживает 200 кг на квадратный миллиметр, но это, увы, пока предел. Другое дело – нанотрубки, они теоретически могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.

Многоликий углерод

Из всего множества разнообразных форм углерода вплоть до середины XX века во всех учебниках фигурировали главным образом графит и алмаз – один из самых мягких и самый твердый минералы имели в точности одинаковый химический состав. Естественно, кроме графита и алмаза была еще известна и сажа – аморфная форма, в которой нет определенной кристаллической решетки. На этих трех все знание о многообразии форм углерода и заканчивалось.

Но потом начались открытия. В начале 1960-х химиками из СССР был синтезирован карбин – уложенные параллельно цепочки из атомов. Затем, в 1966 году, появился лонсдейлит – нестандартная форма алмаза, а значительно позже – посрамление алмаза, лонсдейлит, оказавшийся в полтора раза тверже.

Фуллерен – полые сферы – открыт в 1985 году. Нанотрубки – примерно тогда же, их появление принесло в научную среду споры о том, кто же именно увидел их первым. Графен – лист толщиной в один атом – появился в 2004-м… и это еще не все.

В 2008 году появились «гигантские» нанотрубки диаметром (но не длиной!) в тысячи раз больше обычных. И, судя по всему, физика и химия углерода на этом останавливаться не собирается