Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

где do = 0,42 нм – расстояние между соседними атомами углерода в гексагональной сетке графитовой плоскости. Таким образом, зная D, можно найти хиральность (соотношение m и n).

Геометрия свертывания задает структуру нанотрубок – расстояние, силу связи между атомами. Расчеты электронной зонной структуры показывают, что именно индексы n и m определяют, какой будет электропроводимость системы – металлической или полупроводниковой. Металлические нанотрубки всегда проводят электрический ток даже при температуре абсолютного нуля, тогда как проводимость полупроводниковых трубок возрастает при нагревании.

В большинстве случаев минимальный диаметр трубки близок к 0,4 нм, что соответствует хиральностям (3, 3), (5, 0) и (4, 2), однако объекты такого диаметра наименее стабильны. Самой стабильной однослойной структурой является нанотрубка с индексами хиральности (10, 10), ее диаметр равен 1,36 нм.

Таким образом, появляется возможность создавать новые сверхпрочные композиционные конструкционные материалы, не изменяя химический состав компонентов, а регулируя размеры и формы частиц, составляющих вещество.

Первые же исследования показали, что нанотрубки обладают уникальными механическими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки достигает 70Х105 МПа. Для сравнения: у легированной стали он равняется 2,1Х105 МПа, а у наиболее упругого металла иттрия – 5,2Х105 МПа. Кроме того, однослойные нанотрубки имеют высокую (до 16 %) эластичность, то есть способность оказывать влияющей на них силе механическое сопротивление и принимать исходное состояние после ее снятия.

Наиболее типична для многослойных нанотрубок структура «русская матрешка» – в них трубки меньшего размера вложены в более крупные. Эксперименты сейчас достигли такого технического уровня, что с помощью специального манипулятора можно вытянуть внутренние слои, оставив внешние слои фиксированными (рис. 41).

Рис. 41. Исследование трибологических свойств нанотрубок: 1 – опытная нанотрубка; 2 – нанотрубка после удаления внешних слоев на вершине; 3 – нанотрубка с внутренними слоями, вытянутыми при помощи специального наноманипулятора; 4 – релаксация (возврат) внутренних слоев нанотрубки в исходное положение после снятия нагрузки

Нанотрубка удлиняется подобно телескопической антенне или удочке, приобретая коническую со ступеньками форму. Трубку укрепляют с одного конца и снимают с нее несколько слоев вблизи вершины, чтобы открыть кончик, за который можно «ухватиться». Затем к заостренному концу подводят манипулятор, двигая которым можно удлинять или укорачивать трубку, вытягивая внутренние слои из внешней оболочки. Если удалить манипулятор, вытянутая часть возвратится под действием сил притяжения Ван-дер-Ваальса, как пружина. Измерив время возвращения внутренних слоев после удаления манипулятора, определили силы статического (2,зх10-14 Н/атом) и динамического (1,5х10-14 Н/атом) трения одного слоя о другой.

Это указывает на уникальные трибологические свойства нанотрубок.

Таким образом, многослойная углеродная нанотрубка является великолепным цилиндрическим подшипником. Если внутреннюю часть оставить неподвижной, а внешнюю заставить вращаться, можно получить почти идеальный подшипник скольжения, в котором поверхность скольжения атомногладкая, а силы взаимодействия между поверхностями (силы Ван-дер-Ваальса) очень слабы. При этом статическая сила трения на единице площади оказывается равной всего лишь 60 Н см-2, а динамическая – 45 Н см-2. Как известно, коэффициент трения при скольжении – это отношение силы трения к силе нормального давления. Если предположить, что сила трения составляет 0,01 модуля сдвига, для многослойных трубок приблизительно равного 0,25Х105 МПа, то коэффициент трения получится 10-5 – на два порядка меньше, чем у лучших пар трения в макроскопических твердых телах. Следовательно, открывается возможность создать миниатюрные наноподшипники с пренебрежимо малыми силами трения, необходимые для наносистемной техники будущего (нанодрелей, наностанков и др.).

Кроме того, при высоких давлениях фуллерен С60 становится твердым, как алмаз. Его молекулы образуют кристаллическую структуру, состоящую из идеально гладких шаров, свободно вращающихся в гранецентрированной кубической решетке. Благодаря этому свойству C60 можно использовать в качестве твердой смазки. Фуллерены обладают также магнитными и сверхпроводящими свойствами.

В ряде работ исследованы причины возникновения так называемого масштабного эффекта – роста твердости при низких и сверхнизких нагрузках внедрения (порядка мкН), которые приводят к образованию отпечатков глубиной несколько нанометров.

При усилиях ниже некоторых критических (зависящих от природы материала, температуры, формы индентора и т. д.) практически все материалы проявляют в контакте упругое поведение. Типичные значения критической неразрушающей глубины составляют обычно несколько десятков нанометров.

Нагрузки, при которых наблюдается наноконтактное взаимодействие, могут возникать при трении без смазочного материала (сухом трении), абразивном и эрозионном износе поверхности мелкими частичками, локальной приповерхностной усталости, фреттинг-коррозии и т. п.

Другое уникальное свойство наноструктур – квантовые эффекты и (в связи с этим) необычные электронные свойства наночастиц, прежде всего углеродных нанотрубок.

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой (по крайней мере в одном направлении) ограничен и сравним с длиной электронной волны. В данных направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Это значит, что соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, вызывая дополнительное квантование энергетических уровней. Данное явление получило название квантового ограничения.

Так, с одной стороны, есть трубки с хорошей электронной проводимостью (выше, чем проводимость у признанных электрических проводников, например меди и серебра), а с другой стороны, большинство трубок – это полупроводники с шириной запрещенной зоны от 0,1 до 2 эВ. Управляя их зонной структурой, можно создать различные электронные приборы. В частности, появляется реальная перспектива разработки запоминающих устройств с плотностью записи до 1014 бит/см2.

Одно из самых замечательных свойств – связь между геометрической структурой нанотрубки и ее электронными характеристиками, которую можно предсказать на основе квантово-химических расчетов. Налицо возможность создания новых электронных приборов с рекордно малыми размерами. Еще одно достоинство нанотрубок связано с холодной эмиссией электронов, которая возникает при приложении электрического поля вдоль оси трубки. Напряженность поля в окрестности верхней части в сотни раз превышает напряженность, существующую в объеме, что приводит к аномально высоким значениям тока эмиссии при сравнительно низком внешнем напряжении и позволяет использовать нанотрубные макроскопические системы в качестве холодных эмиссионных катодов.

Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах может сопровождаться интерференцией. Ее отличительная особенность состоит в том, что наличие заряда у электрона дает возможность управления им с помощью локального электростатического или электромагнитного поля, влияя на распространение электронных волн.

Рассмотренные квантовые явления уже используются в разработанных к настоящему времени наноэлектронных элементах для информационных систем. Однако ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона. Активные поисковые исследования в этом направлении продолжаются.

По данным Nanotechweb, группой ученых из лабораторий IBM (США) и Университета Твенте (Нидерланды) при исследовании структуры дефектов нанотрубок выявлено, что углеродные нанотрубки могут излучать инфракрасное излучение. «Обнаруженная электролюминесценция локализована в области дефектов в регулярной структуре наноматериала, – заявил доктор Фаэдон Авурис (Phaedon Avouris). – Электрический ток возбуждает пары электрон – дырка в местах дефектов, что и приводит к излучению».