Углеродные нанотрубки

Структура, свойства и методы использования углеродных нанотрубок

Введение

В наши дни технология достигла такого уровня совершенства, что микрокомпоненты становятся всё менее используемыми в современной технике, и начинают постепенно вытесняться нанокомпонентами. Тем самым подтверждается тенденция к всё большей миниатюризации электронных приборов. Возникла необходимость освоения нового уровня интеграции — наноуровня. Вследствие этого появилась потребность в получении транзисторов, проволок с размерами в диапазоне от 1 до 20 нанометров. Решением этой проблемы стало в 1985 г. открытие нанотрубок, но изучать их стали только начиная с 1990 г., когда их научились получать в достаточных объемах.

Основные вопросы, которые ставятся в этой работе — это как устроена углеродная нанотрубка, какими свойствами она обладает, и какие возможные методы применения углеродных нанотрубок существуют. Несмотря на множество проблем и трудностей с получением нанотрубок и изучением их физико-химических свойств, их необходимо изучать, поскольку этот новый тип технологии (нанотехнологии) в ближайшем будущем начнет заменять собой микротехнологии.

Рассмотрим состав нанотрубок и фуллеренов, а также физическую природу этих явлений. Основа этих двух явлений — углерод. Углерод — это химический элемент периодической системы Менделеева. Он обозначается символом С, имеет атомную массу 12.011, атомный номер 6. В природе углерод можно встретить только в двух основных формах — это графит и алмаз. Они отличаются, главным образом, по строению кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка графита показана на рис. 1. Параллельные между собой плоскости, в которых расположены атомы углерода по углам правильных шестиугольников, образуют кристаллы графита. Атомы углерода, стоящие в соседних вершинах шестиугольника, отстоят друг от друга на величину 143 пм, а соседние плоскости удалены друг от друга на 335 пм. Две соседние плоскости смещены друг относительно друга и шестиугольники, лежащие в них, не образуют прямые призмы. Однако если рассмотреть две плоскости, между которыми расположена третья, то шестиугольники, лежащие в этих двух плоскостях будут располагаться прямо друг напротив друга, образуя прямые призмы, как следует из рисунка.

Атомы углерода, лежащие в одной плоскости связаны между собой неполярными ковалентными связями. Каждый атом углерода в атомной решетке графита связан с тремя соседними атомами углерода, тремя sp2—sp2 общими электронными парами. Они расположены в соответствии с sp2 — гибридизацией, под углами в 120º. Это означает, что каждые четыре связанных между собой атома углерода в графите образуют равносторонний треугольник, три из них расположены в вершинах равностороннего треугольника, а один — в центре.

Электрическая проводимость графита в направлении плоскостей объясняется тем, что между плоскостями расположены четвертые валентные электроны каждого атома, которые ведут себя как электроны металла. Как известно, графит, в отличие от алмаза, весьма хрупкий материал, и даже при небольших нагрузках начинает расслаиваться на отдельные чешуйки. Причиной тому является очень слабая межмолекулярная связь между атомами углерода, расположенными в соседних плоскостях (её ещё называют ван-дер-ваальсовой — по имени ученого, открывшего её).

Графиту присущи две удивительные особенности: электрическая проводимость в плоскостном направлении в десять тысяч раз превышает проводимость в поперечном направлении, а теплопроводность графита, измеренная в направлении плоскости слоев, в пять раз больше теплопроводности, измеренной в поперечном направлении. Все это обусловлено свойствами атома углерода.