Мал. 1. (а) Схематичне зображення методики вирощування наддовгих вуглецевих нанотрубок хімічним осадженням з газової фази. Каталізатори (наночастинки заліза і молібдену; на малюнку позначені як nanoparticles) знаходяться на плівці з довгих вуглецевих нанотрубок (super-aligned CNT film). Плівка розташована на підкладці з чистого кремнію (strip). Зростання наддовгих нанотрубок (CNT) відбувається в горизонтальному напрямку. Отримані наддовгі нанотрубки збираються на підкладках з оксиду кремнію (receiving substrates). Вся конструкція розташовується на підкладці з кварцового скла (supporting substrate). (B) Фотографія масиву наддовгих вуглецевих нанотрубок. Для демонстрації їх довжини трохи нижче показана лінійка. (C) Зображення початку, середини і кінця наддовгих вуглецевих нанотрубок, отримані за допомогою скануючого електронного мікроскопа. З обговорюваної статті в Nano Letters
Групі китайських вчених, завдяки покращеній ними технології хімічного осадження з газової фази, вдалося домогтися контрольованого зростання наддовгих вуглецевих нанотрубок (зі швидкістю 40 мкм / с). Отримані нанотрубки мають рекордну на даний момент довжиною - 18,5 сантиметрів. Вимірювання показали, що електричні характеристики таких вуглецевих нанотрубок не міняються уздовж всієї його довжини. Цей факт дуже важливий для можливого застосування нанотрубок у виробництві різних електронних пристроїв.
Завдяки своїм унікальним фізичним властивостям, вуглецеві нанотрубки (пустотілі «циліндри» зі стінками з атомів вуглецю) в перспективі можуть мати безліч застосувань в різноманітних технологіях. Наприклад, волокна і троси з вуглецевих нанотрубок, згідно з теоретичними розрахунками, мають механічну міцність на два порядки більше, ніж такі ж сталеві конструкції. І що не менш важливо, володіючи такою великою міцністю, вони мають щільність на порядок менше, ніж у тій же стали. Що стосується чудових електричних властивостей вуглецевих нанотрубок, то їх можна використовувати (і подекуди це вже намагаються робити) в електромеханічних системах нового типу в якості нанодіодов, транзисторів, мікроелектріческіх двигунів і сполучних наноелектропроводов.
Однак промислове застосування нанотрубок поки що обмежена через низку технологічних проблем. Перш за все, ще не навчилися дешево і у великих кількостях вирощувати вуглецеві нанотрубки. По-друге, зараз не вміють отримувати як завгодно довгі нанотрубки, які при цьому мали б однорідні (тобто однакові уздовж всієї довжини) фізичні властивості - наприклад, без структурних дефектів. Нарешті, в процесі росту нанотрубок складно контролювати таку їх характеристику, як хіральність (ступінь «закрученности» нанотрубки в циліндр). А це дуже важливо, оскільки в залежності від хиральности нанотрубка має або металеву, або напівпровідникову провідність, а значить, для створення різних електронних приладів треба знати тип електропровідності вирощених нанотрубок.
Крім того, і це теж важливий результат, електричні властивості 18,5-сантиметрових нанотрубок виявилися незмінними уздовж всієї його довжини. Такі досягнення стали можливими завдяки використовуваної вченими технології CVD (chemical vapor deposition) - хімічного осадження з газової фази. І хоча технологія CVD широко відома в світі як один методів отримання вуглецевих нанотрубок (і не тільки нанотрубок), китайські дослідники першими придумали, як її вдосконалити і покращити, щоб домогтися від неї максимальної ефективності. Рецепт отримання наддовгих одностінних нанотрубок, однорідних за своїми електричними властивостями, виглядає так.
Ці нововведення - несуча конструкція з довгих вуглецевих нанотрубок на підкладці з чистого кремнію, а також правильно підібрана пропорція етанолу і води - і дозволили отримати нанотрубки довжиною близько 18,5 сантиметрів. Ще одним технічним досягненням китайських вчених, на якому вони акцентують увагу в своїй роботі, було те, що їм вдалося домогтися надзвичайно рівномірного розподілу температури в печі, де і відбувався весь описаний вище процес. Без цього вирощені нанотрубки мали б неоднорідні фізичні властивості.
Щоб перевірити, однорідні чи електричні характеристики отриманих наддовгих нанотрубок, китайські вчені взяли одну з нанотрубок і на її основі виготовили понад 100 польових транзисторів (рис. 2).
Мал. 2. Безліч польових транзисторів на основі однієї сверхдлинной вуглецевої нанотрубки: (a) - схематичний малюнок і (b) - зображення, отримане сканирующим електронним мікроскопом. З обговорюваної статті в Nano Letters
Параметри транзисторів виявилися повністю тотожними один одному. З цього дослідники зробили висновок, що електричні властивості таких вуглецевих нанотрубок не змінюються по їх довжині.
На жаль, в роботі китайських учених не повідомляється про те, наскільки вирощені ними наддовгі нанотрубки структурно однорідні і чи можна їх використовувати для створення дуже міцних ниток і тросів? Питання надзвичайно актуальне хоча б для проекту космічного ліфта - гігантського підйомника вантажів на навколоземну орбіту, де в якості троса вченими розглядаються бездефектні і дуже довгі вуглецеві нанотрубки.
Точно. Поставити нанопаруса на нанорангоут, віддати наношвартови і, розігнавшись в нанобакштаге, привести до нановетру і шпарить в нанобейдевінд. Не забути тільки наноюнге віддати нанопріказ надраїти нанопалубу.
Звичайно, це значне досягнення. Однак навіть якщо вдасться вирощувати такі пучки нанотрубок завдовжки в тисячі кілометрів, космічний ліфт, швидше за все, залишиться ще фантазією. Причина в тому, що навіть якщо вихідні нанотрубки вдасться зробити бездефектними, що неможливо термодинамічно (але все ж не виключає можливості того, що вдасться знайти способи хімічного заліковування таких дефектів при значно нижчих температурах), уздовж треків частинок космічних променів такі дефекти будуть утворюватися постійно . Знову утворюються дефекти будуть концентруватися локально, висловлюючись в локальному появі множинних дефектів стогону-Валеса (дефектів повороту суміжних пар атомів C на 90 градусів), релаксувати до потрійних дефектів стогону-Валеса пар вакансій і впроваджених пар атомів, а також вирваних вуглецевих атомів і кластерів, сшивающих сусідні нанотрубки між собою хімічно. Всі ці явища будуть приводити в результаті до швидкого і дуже значного падіння розривної міцності. Ідеальну міцність зможе забезпечити тільки пучок бездефектних незшитих нанотрубок однієї з двох граничних Хіральність, що забезпечують достатній енергетичний бар'єр взаємного ковзання сусідніх вандерваальсова пов'язаних нанотрубок, щоб оберегти від повзучості при розривах окремих нанотрубок. Переважно, щоб все нанотрубки повинні бути строго рівного діаметра, інакше бар'єр ковзання різко зменшиться або зникне зовсім. Незшитих обов'язкове, щоб розрив однієї нанотрубки не міг поширитися на сусідні нанотрубки. Але слід пам'ятати, що діаметр троса для космічного ліфта повинен закономірно змінюватися в тисячі разів уздовж його довжини, і як бути при цьому з кінцями нанотрубок при звуженнях, як зафіксувати їх - незрозуміло (вандерваальсова фіксація дуже слабка і може виявитися недостатньою). Поки ясно лише одне - що всі кінці нанотрубок повинні розташовуватися на поверхні троса, розташування їх усередині неприпустимо.
А чи не можна влегкую чогось напилити на такий канат, щось типу CHN2-Linker-CHN2, де CHN2 - диазогруппа, а Linker - злегка гнучкий але міцний полімер (типу (-para-С6Н4-О) n, тобто . поліфініловий ефір, а n 10-20, думаю). Тоді ці діазаметільние фрагменти з одного кінця полімеру будуть кріпитися по "кратним" зв'язків на поверхні однієї трубки (по реакції 1,3-диполярного циклоприсоединения), а діазаметільние фрагменти з іншого кінця полімеру будуть кріпитися по "кратним" зв'язків на поверхні іншої (швидше за все ) трубки. Трубки виявляться ковалентно зшитими рідкісними міцними містками. Звичайно, в місці кріплення линкера до труби виникнуть локальні деффекти, що ослабляють трубку. Але сильно це буде? Чи не буде компенсації міцності за рахунок поперечних зшивок? Ті молекули зшивача, які прикріпили тільки до однієї трубці тоді б грали роль вертикально стоять ворсинок, і зчеплення б на терті було б краще, ніж в разі голою трубки. Сам-то не знаю, я просто хімік. Що думаєте? Якщо марення несу, не сваріться сильно :)
А по трубках будуть повзати нанороботи і заращівать дефекти (або ростити свіжі нанотрубки, поїдаючи зіпсовані).