Нанотрубка, углеродная сокр., УНТ (англ. carbon nanotube сокр., CNT; SWNT; MWNT) — полая цилиндрическая структура диаметром от десятых до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сотен микрометров и более, образованная атомами углерода и представляющая собой свернутую в цилиндр графеновую плоскость.
Основные свойства
Классификация нанотрубок
Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проилюстрировано на рисунке.
По значению параметров (n, m) различают
-
прямые (ахиральные) нанотрубки
- «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m
-
зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0
-
спиральные (хиральные) нанотрубки
Как нетрудно догадаться, при зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.
Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если n-m делится на 3. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».
Однослойные и многослойные нанотрубки
Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки» (russian dolls)).
История открытия
Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смоли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г., существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 A, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских ученых Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.
Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свернутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др., вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости.
Структурные свойства
-
упругие свойства; 5-7-дефекты при превышении критической нагрузки
-
открытые и закрытые нанотрубки
Электронные свойства нанотрубок
Электронные свойства графитовой плоскости
-
Обратная решётка, первая зона Бриллюэна
Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K’.
-
Спектр в приближении сильной связи
-
Дираковские точки
Графит — полуметалл, что видно невооруженным глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроныp-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т. о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.
Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.
-
SU(4) симметрия
Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку
-
граничные условия Борна-Кармана
-
Эффективное уравнение Дирака
-
Металлические и полупроводниковые трубки
-
Поведение спектра при приложении продольного магнитного поля
Учёт взаимодействия электронов
-
Бозонизация
-
Латтинжеровская жидкость
-
Разделение спина и заряда
-
Экспериментальный статус
Сверхпроводимость в нанотрубках
-
Экспериментальный статус
-
Теория
Оптические свойства нанотрубок
Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трем) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.
Возможные применения нанотрубок
-
Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
-
Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
-
Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
-
Оптические применения: дисплеи, светодиоды
-
Медицина (в стадии активной разработки)
-
Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
-
Кабель для космического лифта
Использованная литература
Электросопротивление единичных углеродных трубок // Природа. 1997. № 1. С.107—108
Транзистор на основе углеродной нанотрубки // Природа. 1999. № 2. С.104—105
Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров XXI века.П.Н.Дьячков// Природа. 2000. №11
D.V. Smitherman, Jr. Marshall Space Flight Center, Huntsville, Alabama, 2000
Источник ru.wikipedia.org