Рис. 21. Электронно-микроскопическое изображение жгута однослойных углеродных нанотрубок (10,10)[10]
В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика. Осталось научиться делать их как можно более длинными — размеры трубок связаны с прочностью изготавливаемых веществ.
Оказывается, узор однослойной нанотрубки определяет ее электронные свойства: нанотрубки с разными узорами могут быть металлами, полуметаллами и полупроводниками. Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, нанотрубки способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях. К тому же открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.
Группе ученых из Австралийского национального университета города Канберры на основе углеродных нанотрубок удалось создать еще одну новую форму углерода — нанопену. В процессе нагрева углеродной мишени мощным лазерным пучком с амплитудой 10 000 импульсов в секунду при температуре около 1000 °C был получен новый материал в виде мельчайшей сетки (пены), состоящей из нанотрубок.
Полученный материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей. При введении нанопены в кровеносную систему появляется возможность ее отслеживания с помощью магнитно-резонансной томографии и последующего лечения пораженных участков за счет более интенсивного инфракрасного нагрева больных тканей, не травмируя соседние здоровые клетки.
Нанотрубки обладают другими уникальными возможностями и свойствами, которые рассматриваются в последующих главах. При этом углерод не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.
В связи с постоянным и бурным развитием нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания других самых разнообразных форм и разновидностей объектов. Благодаря указанным выше геометрическим характеристикам их также можно будет можно отнести к наноматериалам.
Недавно сообщалось о создании новой разновидности наноструктур — своего рода нанотравы, которая представляет собой достаточно плотный слой нановолокон, перпендикулярно ориентированных к поверхности подложки.
Нанотрава состоит из так называемых вискеров (от англ. whisker — волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) — нитевидных кристаллов диаметром от 1 до 10 мкм (отношение длины к диаметру — более 1000).
Наибольший интерес представляют манганитные вискеры состава Ba6Mn24O48. Сам по себе манганит — это минерал из класса окислов и гидроокислов с химическим составом MnO(OH), который в общем случае содержит 80,66 % MnO, иногда примеси Fe, Al, Ba, Pb, Cu и др.
Вискеры, по мнению ученых, — один из перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств, из которых можно изготавливать плетеные материалы или вату, но пока исследования в этой области находятся только в начальной стадии развития.
В природе практически нет абсолютно однородных материалов. Многие из окружающих нас веществ представляют собой смесь различных сред (дисперсных систем). В зависимости от агрегатных состояний диспергированной системы (расположенной внутри) и дисперсной системы (являющейся основой или каркасом) вещества получили разное наименование (табл. 5).
Таблица 5. Типы дисперсных систем
Благодаря сочетанию свойств многие из дисперсных сред являются перспективными нанотехнологическими материалами. К таким материалам относится аэрогель — класс дисперсных сред, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза (диспергированная система) полностью замещена газообразной. По внешнему виду аэрогель напоминает обыкновенный пенопласт, а по структуре представляет собой древовидную сеть (дендриды) из объединенных в кластеры наночастиц размером 2–5 нм и полостей размерами до 100 нм. Поры аэрогеля могут занимать до 90–99 % всего объема вещества, при этом его плотность составляет всего от 1 до 150 кг/м3.
В результате аэрогели при очень низкой плотности обладают относительно высокой твердостью, прозрачностью (выдерживают нагрузку, в 2000 раз превосходящую собственный вес), жаропрочностью и т. д.
Изобретателем аэрогеля принято считать американского химика Стивена Кистлера (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне. Он получил новый материал, замещая жидкость в геле метанолом. При нагревании полученного геля до достижения критической температуры (240 °C) под давлением метанол практически полностью испарялся, а сама гелевая основа «высыхала», превращаясь в твердую фазу и практически не уменьшаясь в объеме. В 1931 году полученные результаты Стивен Кистлер впервые опубликовал в журнале Nature.
Наиболее исследованы аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х годов получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.
Рассматривая дисперсную систему аэрогелей, мы упомянули термин «дендриды» (греч. дендрон — дерево, англ. dendritic — ветвящийся, древовидный). В настоящее время принято выделять и особый класс наночастиц — дендримеров — химические соединения (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой (древообразные полимеры).
Дендримеры являются полимерной структурой и состоят из мономеров, структурированных в древовидную форму (рис. 22).
Рис. 22. Рост дендримерной молекулы из основы N-X-N (вверх) и внешний вид дендримера
Разветвленная структура, похожая на крону деревьев, имеет множество внутренних полостей, которые можно заполнять теми или иными веществами, создавая объекты с соответствующими свойствами. Например, собирать различные наноэлектронные и наноэлектромеханические системы с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Если полости дендримеров заполнить лекарственным или косметическим средством, их можно использовать в качестве нанокапсул для доставки к пораженным клеткам человеческого организма, заполнив серебром, можно применять как бактерицидное средство и т. д.
Несколько слов следует сказать о квантовых точках (англ. quantum dots) — малых фрагментах проводника (полупроводника), ограниченных по всем трем пространственным измерениям, содержащих электроны проводимости и характеризующихся наличием квантовых эффектов.
Квантовые точки, разрабатываемые для нужд радиоэлектроники, представляют собой конгломераты атомов классических полупроводниковых материалов (Si, InP, CdSe и др.), покрытых слоем изолирующего материала. Они могут состоять из десятков тысяч атомов, при этом габариты конгломерата исчисляются единицами нанометров.
Квантовые точки могут быть произведены как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Применительно к электронной технике квантовые точки обладают свойствами, принципиально отличными от объемных полупроводниковых материалов. Однако из-за пространственного ограничения движения носителей заряда в них проявляется квантово-размерный эффект дискретной структуры электронных уровней, вследствие чего квантовые точки иногда называют «искусственными атомами» (рис. 23).
Рис. 23. Схема коллоидной квантовой точки: 1 — эпитаксиальная оболочка ZnS (структурный тип сфалерита); 2 — ядро CdSe; 3 — гидрофобная поверхность
Одно из свойств этих нанокристаллов — способность излучать видимый свет строго определенной длины волны. Изменяя размер квантовой точки, изготовленной из одного и того же материала, можно варьировать цвет излучения. Например, квантовая точка диаметром 2 нм светится синим, а 6 нм — красным цветом. Вследствие высокой размерной однородности (более 95 %) квантовые точки испускают достаточно узкий спектр волны (полуширина пика флуоресценции — всего 20–30 нм), чем достигается феноменальная чистота цвета. Это свойство очень существенно для возможного производства экологически чистых дисплеев на квантовых точках, обладающих высоким качеством передачи цветовой палитры изображения.
В зависимости от размера и химического состава наночастицы также обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.
Квантовые точки могут производиться и поставляться на рынок наноматериалов в виде растворов в таких неполярных органических растворителях, как гексан, толуол, хлороформ или даже в виде сухих порошков.
В то же время следует указать, что не стоит так просто относить все, что имеет наноскопические, а тем более микроскопические размеры, к нанотехнологиям, ведь тогда, например, зубной порошок, муку, крахмал и многие другие материалы тоже следует называть нанотехнологиями. Трубочист только и имеет дело с нанообъектом (сажей), но это же не значит, что он специалист по нанотехнологиям.
Создание искусственных наноматериалов
Нанотехнологии — это технологии XXI века. И страна, которая будет их внедрять, станет лидером XXI века…
А. Д. Жуков, вице-премьер Правительства Российской Федерации
Для исследования объектов и процессов нанотехнологий, создания наносистем и развития наноиндустрии необходимо было разработать эффективные способы получения наноструктур и наноматериалов в достаточном (коммерческом или промышленном) количестве.