Марианна Харламова (факультет наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова) исследовала разные виды «начинки» углеродных нанотрубок и классифицировала их по степени влияния на свойства самих нанотрубок. Работа исследовательницы была опубликована в высокоимпактном журнале Progress in Materials Science (импакт-фактор — 26,417).
Обзор объемом 87 журнальных страниц подытожил достижения ученых в области изменения электронных свойств одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ). «Проведено детальное систематическое исследование 430 работ, включая 20 работ автора, большинство из которых были опубликованы в течение последних пяти лет, поскольку исследуемая область является актуальной и быстро развивающейся», — рассказывает Марианна Харламова, кандидат химических наук, сотрудник факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова. Помимо систематизации и анализа существующих данных автор подробно рассматривает теоретический фундамент подобных изысканий — зонную теорию твердых тел, описывающую взаимодействия электронов в твердом теле.
Многоликий углерод: алмазы, мячи, трубочки
Углерод имеет несколько форм существования (аллотропных модификаций) и может складываться в разные структуры. Он образует и уголь, и сажу, и алмаз, и графит, из которого сделаны стержни карандашей, графен, фуллерены и др., а уж в органической химии все основано на соединениях углерода, который становится каркасом молекул (правда, это уже новые соединения, а не аллотропные модификации). В алмазе атомы углерода держатся на строго указанных позициях кристаллической решетки (отсюда — его твердость). В графите же атомы углерода выстраиваются в слои из шестиугольников, напоминающие ряды сот. Каждый слой довольно слабо связан с верхним и нижним, поэтому вещество разделяется на чешуйки, которые для нас выглядят как след карандаша на бумаге. Если взять один такой слой шестиугольников и свернуть его в трубочку, получится то, что называют углеродной нанотрубкой.
Одностенная нанотрубка представляет собой один свёрнутый слой, а многостенные выглядят как «матрешка» из вложенных друг в друга трубок. Диаметр каждой трубки составляет несколько нанометров, а длина — до нескольких сантиметров. К концам такой трубки присоединены «колпачки» в виде полусфер — половинок молекулы фуллерена (фуллерены — ещё одна форма существования углерода, структурой напоминающая поверхность футбольного мяча и собранная из шестиугольников и пятиугольников). Создать и наполнить углеродную нанотрубку намного сложнее, чем вафельную трубочку со сгущёнкой: чтобы заставить углерод сформировать подобную структуру, учёные используют методы лазерного испарения, термического распыления в дуговом разряде или осаждают углеводороды из газовой фазы.
ОСНТ — это вам не вафля
Что же в них особенного? Сам графит по своим свойствам (электрическая проводимость, пластичность, металлический блеск) напоминает металлы, а углеродные нанотрубки представляют собой материал c совсем другим свойствами, который может найти применение от электроники (как составляющие перспективных наноэлектронных устройств — логических элементов, устройств памяти и передачи данных и др.) до биомедицины (как контейнеры для адресной доставки лекарств). Проводимость углеродных нанотрубок можно изменять в зависимости от того, как располагаются шестиугольники с атомами углерода в своих вершинах относительно оси трубки, от того, что включено в её стенку помимо углерода, от того, какие атомы и молекулы присоединены к наружной поверхности трубки, от того, чем она наполнена. Кроме того, одностенные углеродные нанотрубки (сокращённо — ОСНТ) особым образом преломляют свет и удивительно прочны на разрыв.
Марианна Харламова впервые систематизировала варианты «начинки» для нанотрубок по их влиянию на электронные свойства ОСНТ. Метод заполнения ОСНТ для придания требуемых электронных свойств автор обзора считает самым эффективным.
«Это обусловлено четырьмя основными причинами, — рассказывает Марианна Харламова. — Во-первых, широк спектр веществ, которые можно внедрить в каналы ОСНТ. Во-вторых, для внедрения в каналы ОСНТ веществ различной химической природы разработан не один метод заполнения: из жидкой фазы (раствора, расплава), газовой фазы, с использованием плазмы или путем проведения химических реакций. В-третьих, в результате процесса внедрения веществ может быть достигнута высокая степень заполнения каналов ОСНТ, что приведет к значительному изменению электронной структуры нанотрубок. В-четвертых, химическое преобразование внедренных веществ позволяет контролировать процесс модификации электронных свойств ОСНТ путем выбора соответствующего исходного вещества и условий протекания химической реакции».
Автор сама провела экспериментальные исследования заполнения нанотрубок двадцатью простыми химическими веществами и соединениями, установила закономерности влияния «начинки» на то, как ведут себя электроны самой нанотрубки, выявила зависимость температуры формирования внутренних нанотрубок от диаметра внешних трубок и включенных в их структуру химических соединений, выяснила, какие факторы влияют на степень заполнения нанотрубок.