Microsoft Word doc

Нанотрубки
 
Из
атомов
углерода
могут
образовываться
также
различ
-
ные
структуры
, 
составленные
, 
как
и
в
случае
графита
, 
из
шес
-
тиугольных
колец
. 
Эти
структуры
являются
полыми
внутри
и
имеют
замкнутую
поверхность
. 
Среди
них
выделяются
нано
-
частицы
 
и
нанотрубки
. 
Наночастицы
подобны
фуллеренам
, 
но
значительно
превосходят
их
по
размерам
. 
Они
могут
состоять

---

197 
из
нескольких
слоев
, 
образуя
«
луковичные
структуры
» 
или
онионы
(
от
англ
. 
о
nion – 
луковица
). 
Нанотрубки
представляют
собой
графитовые
сетки
, 
свернутые
в
трубки
, 
и
могут
быть
как
открытыми
, 
так
и
закрытыми
с
концов
(
рис
. 9.6), 
однослойны
-
ми
и
многослойными
. 
Рис
. 9.6. 
Примеры
некоторых
структур
углеродных
нанотрубок
: 
а
– 
кресельная
,
б
– 
зигзагообразная
, 
в
– 
хиральная
Однослойные
углеродные
нанотрубки
(carbon nanotubes) 
открыли
почти
одновременно
в
1991 
году
Сумио
Ииджима
и
Тошинари
Ичихаши
(Toshinari Ichi-hashi) 
в
Японии
, 
а
также
Дональд
С
. 
Бетун
(Donald S. Bethune) 
в
США
. 
Обе
группы
уче
-
ных
описали
образование
фуллерена
С
60
в
саже
на
стенках
камеры
дугового
разряда
и
обнаружили
, 
что
сажа
состоит
из
множества
однослойных
углеродных
нанотрубок
приблизительно
с
одинако
-
вым
диаметром
. 

---

198 
Нанотрубки
встречаются
в
природном
материале
– 
шунги
-
те
, – 
однако
в
настоящее
время
они
получаются
искусственно
. 
В
зависимости
от
условий
синтеза
возможно
получить
как
одностенные
 
углеродные
 
нанотрубки
, 
похожие
на
очень
тонкий
и
длинный
цилиндр
, «
склеенный
» 
из
гексагональной
углерод
-
ной
сетки
, 
так
и
многостенные
нанотрубки
. 
Последние
пред
-
ставляют
собой
либо
сверток
, 
аналогичный
бумажному
свитку
, 
либо
набор
одностенных
труб
, 
вставленных
друг
в
друга
напо
-
добие
матрешки
(
рис
. 9.7). 
В
зависимости
от
того
, 
как
именно
из
графитовой
плоскости
«
вырезать
полоску
» 
и
как
ее
свернуть
, 
диаметр
трубки
может
варьироваться
в
широких
пределах
от
0,4 
до
100 
нм
, 
а
длина
– 
от
1 
до
100 
мкм
. 
Рис
. 9.7. 
Схема
вложенных
нанотрубок
,
когда
одна
трубка
находится
внутри
другой
Углеродные
нанотрубки
обладают
разнообразными
свой
-
ствами
, 
демонстрируя
, 
несмотря
на
свою
кажущуюся
хрупкость
и
ажурность
, 
высокую
прочность
на
растяжение
и
изгиб
, 
спо
-
собность
перестраиваться
под
действием
механических
напря
-
жений
, 
высокую
проводимость
, 
необычные
магнитные
и
опти
-
ческие
свойства
(
табл
. 9.1). 
Поражает
воображение
разнообразие
применений
нанот
-
рубок
, 
одни
из
которых
только
придуманы
«
на
бумаге
», 
а
другие
– 

---

199 
Т а б л и ц а
9 . 1
Свойства
Характеристики
нанотрубок
Возможные
применения
В
100 
раз
прочнее
и
в
6 
раз
легче
стали
Сверхпрочные
нити
, 
создание
композитных
материалов
, 
косми
-
ческий
лифт
Высокая
гибкость
Наноактюаторы
Механические
Высокая
эластичность
Острия
для
атомно
-
силовой
мик
-
роскопии
Вариация
электронных
свойств
в
зависимости
от
диаметра
трубок
(
переходы
металл
–
полупроводник
) 
Компоненты
наноэлектроники
(
диоды
, 
транзисторы
и
т
.
п
.) 
Высокая
проводимость
металлических
трубок
Прозрачные
проводящие
пласти
-
ки
, 
острия
зондовых
микроскопов
Электронные
Высокая
полевая
эмиссия
Электронная
пушка
, 
дисплеи
, 
лампы
, 
рентгеновские
трубки
Высокая
удельная
поверх
-
ность
(100–1000 
м
2
/
г
) 
Носители
для
катализаторов
Физико
-
химические
Высокая
пористость
и
объ
-
ем
, 
форма
каналов
Капсулы
для
активных
молекул
, 
защита
инкапсулированных
мате
-
риалов
, 
хранение
водорода
, 
метал
-
лов
и
газов
, 
нанобатареи
, 
нанопи
-
петки
реализованы
в
действительности
. 
Нанотрубки
могут
использо
-
ваться
в
качестве
очень
прочных
микроскопических
стержней
и
нитей
: 
согласно
результатам
численного
моделирования
мо
-
дуль
Юнга
однослойной
нанотрубки
достигает
величин
поряд
-
ка
10
3
ГПа
, 
что
на
порядок
выше
, 
чем
у
стали
. 
Теоретики
под
-
считали
, 
что
из
нанотрубок
можно
создать
самые
прочные
во
-
локна
в
мире
, 
которые
почти
в
100 
раз
прочнее
и
в
6 
раз
легче
стали
. 
Недаром
реализация
одного
из
грандиозных
проектов
будущего
, 
строительства
космического
 
лифта
, 
так
называется
новая
технология
доставки
грузов
и
пассажиров
с
поверхности
Земли
на
космическую
орбиту
, 
основывается
на
уникальной
механической
прочности
трубок
. 
К
настоящему
моменту
экс
-
периментально
подтверждено
, 
что
«
микротрос
» 
из
нанотрубок

---

200 
толщиной
с
человеческий
волос
способен
удерживать
грузы
в
сотни
килограмм
! 
Идея
космического
лифта
не
нова
. 
В
1895 
году
после
по
-
сещения
Эйфелевой
башни
русский
ученый
Константин
Циол
-
ковский
впервые
высказал
идею
конструкции
«
космической
башни
», 
состоящей
из
катушки
с
кабелем
, 
растянутым
до
высо
-
ты
геостационарной
 
орбиты
. 
Эта
идея
пришла
ему
в
голову
по
-
сле
наблюдения
за
обычными
лифтами
, 
которые
доставляли
изумленных
зрителей
на
вершину
Эйфелевой
башни
. 
На
рис
. 9.8 
показана
схема
такого
лифта
. 
Рис
. 9.8. 
Космический
лифт
для
доставки
грузов
на
геостационарную
орбиту

---

201 
Зачем
нужен
космический
лифт
? 
Для
улучшения
качества
жизни
и
удешевления
космических
полетов
. 
В
настоящее
время
стоимость
доставки
1 
кг
полезного
груза
на
низкую
околозем
-
ную
орбиту
равна
около
20 
тыс
. 
долл
., 
а
на
геостационарную
орбиту
– 
около
40 
тыс
. 
долл
. 
При
использовании
космического
лифта
цена
доставки
1 
кг
полезного
груза
на
геостационарную
орбиту
будет
не
выше
400 
долларов
. 
Вследствие
удешевления
вывода
спутников
подешевеют
и
средства
связи
. 
Благодаря
мас
-
совому
выводу
огромных
солнечных
батарей
на
околоземную
орбиту
подешевеет
производство
альтернативной
энергии
. 
В
ус
-
ловиях
невесомости
упростится
и
станет
массовым
производство
сложных
фармацевтических
препаратов
и
рост
высокочистых
кристаллов
. 
Но
поистине
удивительная
особенность
таких
структур
за
-
ключается
в
зависимости
свойств
от
структуры
самой
нанотруб
-
ки
. 
Так
, 
например
, 
вектор
свертки
графитовой
плоскости
опреде
-
ляет
электронную
структуру
нанотрубки
: 
будет
ли
она
металлом
или
полупроводником
. 
Необычные
электрические
свойства
нанотрубок
делают
их
наиболее
перспективным
материалом
наноэлектроники
: 
уже
сей
-
час
на
их
основе
созданы
опытные
образцы
полевых
транзисто
-
ров
 
и
полупроводниковых
гетероструктур
, 
в
которых
переход
металл
/
полупроводник
реализуется
в
пределах
единичной
нанот
-
рубки
путем
контролируемого
создания
дефектов
в
ее
структуре
. 
Безусловно
, 
компьютерная
индустрия
не
обошла
своим
вниманием
углеродные
нанотрубки
, 
создав
и
успешно
протести
-
ровав
прототипы
первых
плоских
дисплеев
, 
работающих
на
нано
-
трубчатой
матрице
. 
В
таком
дисплее
под
действием
приклады
-
ваемого
к
одному
из
концов
трубки
напряжения
с
другого
ее
кон
-
ца
испускаются
электроны
, 
которые
, 
попадая
на
фосфоресци
-
рующий
экран
, 
вызывают
свечение
пикселя
. 
В
результате
зерно
изображения
фактически
определяется
диаметром
нанотрубки
, 
а
следовательно
, 
обладает
фантастически
малыми
размерами
– 
не
более
одного
микрона
. 

---

202 
Однако
нанотрубки
могут
выступать
не
только
в
роли
ис
-
следуемого
материала
, 
но
и
как
инструмент
исследования
. 
На
 
их
основе
можно
, 
к
примеру
, 
создать
микроскопические
нановесы
, 
нанотермометры