Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века
Подождите немного. Документ загружается.
Углеродные
нанотрубы
и
родственные
структуры.'
Новые
материалы
XXI
века
Москва:
Техносфера,
2003. - 336
с.
ISBN
5-94836-013-Х
Первая
монография
по
углеродным
нанотрубам.
Книга
буде
т
интересна
химикам
,
физикам,
материаловедам
и
инженерам
,
работающим
с
угле
родными
материалами,
фуллеренами
и
непосредственно
связанными
с
ними
структурами
,
такими
как
уг
леродные
наночастицы
инеуглеро
дные
фуллерены,
Книга
написана
в
ясной
и
сжатой
форме
с
представлением
богатого
иллюстративного
материала.
Она
является
прекрасным
введением
в
новый
мир
нанотрубных
структур.
Монография
рассматривает
методы
приготовления,
механизмы
роста,
технологию
и
физику
структур
;
нанокапсу
лы
и
трубы-нанотесты;
механические
свойства
углеродных
нан
отруб;
искривленные
кристаллы,
неорганические
фуллерены
и
наностержни;
углеродные
луковицы
и
сферо
идальный
углерод;
перспекгивные
направления
исследований
в
данной
области.
© Cambridge
University
Press
1999
е
2003,
ЗЛО
«
Р
И Ц
«
Т
е
х
н
ос
ф
е
р
а
:
IJеревод
на
русский
язык,
оригинал-макет,
оформление.
ISBN ISBN
5-94836-013-Х
ISBN 0521 554462
(ангя.)
.
Содержание
~
ГЛАВА
Э.
СТРУКТУРА
85
2.6.
Теории
роста
нанотруб
66
2
.6
.1.
Общие
замечания
' " '" 66
2.6.2.
Почему
нанотруби
остаются
открытыми
во
время
роста?
' " .68
2.6
.3.
Свойства
дуговой
плазмы
69
2.
б.4.
Альтернативные
модели
.70
2.6.5.
Рост
однослойны
х
нанотруб
.,
71
2.7.
Очистка
многос
лойных
труб
73
2.8.
Очистка
однослойных
труб
76
2.9.
Выравнива
ние
нанотрубных
образцов
.77
2.10.
Контро
ль
мины
углеро
дных
нанотруб
78
2.11.
Анализ
исследований
.79
Литература
80
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРА
ПЕРЕВОДА
14
ГЛАВА
1.
ВВЕДЕНИЕ
17
1.1.
Открыти
е
РОДственных
ф
у
ллер
ен
а
м
углеродных
нанотруб
20
1.2.
Свойства
МНОГОСЛОЙНых
нанотруб
' " , .21
1.3.
Однослойные
нанотрубы
24
1.4.
Свидетельства
существования
углеродных
нанотруб
перед
1991 r. ' " ' " . , .26
1.5.
Исследование
нанотруб
28
1.6.
Организация
книги
30
1.7.
Допо
лнение
редактора
31
Литература
" 34
ГЛАВА
2.
СИНТЕЗ
:
МЕТОДЫ
ПРИГОТОВЛЕНИЯ,
МЕХАНИЗМЫ
РОСТА
И
ТЕХНОЛОГИИ
37
2.1.
Прои
зводство
многослойных
нанотруб
:
некаталитические
методы
39
2.1.1.
Техника
дугово
го
испарения
39
2.1.2.
Качест
во
нанотр
убны
х
образцов
,
производимых
при
д
у
говом
испарении
42
2.1.3.
Проб
лемы
бе
зопасности
" 43
2.1.4.
Конден
сация
угл
е
р
о д н
ог
о
пара
в
от
с
ут
ствие
эл
е
к
т
р
и
ч
ес
к
ог
о
по
ля
44
2.1
.5
.
Пирд
лити
че
ские
м
етоды
46
2
.1.б
.
Э
лектрохимический
синт
е
з
нанотруб
46
2.2.
Эксперименты
по
нагреву
фуллереновой
сажи
47
2.3.
Каталигически
приготовленные
мноюслойныенанотрубы
51
2.3.1
Проис
хождение
51
2.3
.2
.
Механизмы
роста
каталитически
по
лучаемых
нанотруб
53
2.3.3.
Синтез
протяженных
нанотруб
при
катализе
56
2.4.
Нанотрубы
на
ТЭМ
сегках-подложках
;
предупреждающее
слово
58
2.5.
Однослойные
нанетрубы
60
2.5.1.
Открытие
60
2.5.2.
Пос
ледующая работа
по
однослойным
нанотр
убам
62
2.5.3.
Нанотр
убные
«
ж
г
у
т
ы»
65
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
З.5
.
З
.6
.
Классификация
трубчатых
биологических
структур
. , 86
Связь
в
углеродных
м
а
т
е
р
и
ал
ах
' 89
Структура
уг
леродных
н
анотруб:
теоретиче
ский
а
н
ал
из
.' 91
3
.3
.1.
Векторное
обозначение
для
у
гл
е
р
о
д
н
ых
нанотруб
91
3
.3.2
.
Э
лементарные
ячейки
нанотруб
93
3.3.3.
Мно
гослойные
нанотрубы
95
3
.3.4
.
Теория
закрывания
нанотр
уб
97
3.3
.5
.
Классификация
нанотруб
по
симметрии
1
О
1
3.3
.6
.
Локтевые
соединения
,
торы
и
з
м
е
е
в и
к
и
103
3
.3
.7
.
Массивы
одно
~ойных
нанотруб
106
Физическая
стабил
ьность
углеродных
н
анотруб
107
Эксперимен
тальные
исследов
ания
структуры
нанотруб:
многос
лойные
на
нотрубы
108
3.5.1.
М
етоды
исс
ледования
108
3.5.2.
С
лоистая
структура
:
эк
спериментальные
наб
людения
11
О
3.5.3.
С
лоистая
стр
уктура
:
модели
111
3.5.4.
Электронная
дифракция
115
3.5.5.
Изображения
в
горизантальной
проекции,
полученные
с
помощью
ВРЭМ
117
3.5
.6.
Профиль
поперечно
го
среза
много
слойных
нанотр
уб
117
3.5.7.
ВРЭМ
исследования
стр
уктуры
шапо
к
120
З.
5.8.
Локте
вые
соединения
и
ра
зветв
ленные
структ
уры
123
Экспериментальные
исс
ледования
нанотрубной
структуры
:
однос
лойные
н
анотр
убы
125
З.6.1.
Вы
с
ок
оразр
еша
ющ
ая
эл
ек
т
р
о
н
н а
я
микроскопия
1
?О;
и
э
лектронная
дифоакиия
...•
•.
...
..
----
- .- .
~
Co
дep~aH
и
e
3.6.2.
Сканирующая
зондовая
микроскопия
.....
.
....
•.........
127
3.6.3.
Нанотрубные
обручи
и
удвоение
диаметра
129
3.7.
Структура
углеродных
на
ночастиц
131
3.8.
Наноконусы
13А
3.9.
Заключение
1
3А
Литература
' 136
ГЛАВА
-4.
ФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
НОНАТРУБ
139
4.
Г.
Э
лектронные
свойства
графита
и
уг
леро
дных
во
локон
; .140
4.1.1.
Зонн
ая
с
т
рук
т
у
р а
г
р
а
ф
и
т
а
140
4.1
.2
.
Тран
спортны
е
св
о й
с
т
в
а
г
р а
ф
и
т
а
,
неупор
яддченны
х
угл
е
родо
в и
у
глеродны
х
во
локон
142
4.1.3.
Ма
гнето
сопр
оти
вл
ение
г
р
а
ф
и
т
а
и
у
глеродных
волокон
143
4.2.
Электронные
свойс
тва
нанотруб
:
теория
14А
4.2:1.
Зонная
с
т
р
у
к
т
у
р
а
одно
слойных
нанотруб
'"
14А
4.2.2.
Зонная
с
т
р
у
к
т
ур а
мно
го с
ло
йных
нанотруб
149
4.2.3.
Э
л
ектронны
й
тр
а
н
спорт
в
нанотруба
х
150
4.2.4.
Нанот
рубн
ы
е
с
ое
д
и
не
н
ия
150
4.2.5.
Э
ле
ктронны
е
св
ой
с
тва
нанотр
уб
в
ма
гнитном
по
ле
151
4.3.
Э
л
е
ктро
н
н
ы
е
С В
О
Й
ст ва
нанотр
уб:
э
к
с
п
е
р
и
м
е
н
т
аль
н
ы
е
измерения
153
4.3.1.
Изм
ерени
я
с
о
п
р
о
т
и
вл
е
н
и
я
мно
го
с
лойны
х
нанотр
уб
153
4.3.2.
Изм
ер
ени
я
с
о
п
р
о
т
и
в
л
е
н
ия
одно
сло
йны
х
нанотр
уб
161
4.3.3.
Допиро
вани
е
нанотр
убны
х пучко
в
165
4.3.4.
Э
ле
кт
ронны
й с
п
и н
ов
ый
резонан
с
166
4.4.
Магнитные
свойства
нано
труб
170
4.5.
Оптические
свойства
нанотруб
172
4
.б
.
Колебательные
спектры
нанотруб
173
4.6.1.
Симметрия
ко
леб
ате
л
ьны
х
мод
173
4.6.2.
Эксперим
ентальные
ИК-
и
Раман-спектры:
много
с
ло
йные
нанотруби
176
4.6.3.
Экспериментальны
е
ИК-
и
Раман-
спектры:
однослойные
канотрубы
178
4.7.
Спектроскопия
электронных
энергетических
потерь
нанотруб
182
4.8.
Нанотрубные
полевые
эммиторы
182
4.9.
Заключение
184
Литература
186
ГЛАВА
5.
НОНОКАПСVЛЫ
И
нхнотвст.тюъы
191
5.1.
М
еталлофуллерены
192
5.2.
Запо
лнение
нанотруб
и
наночастиц
при
дуговом
испарении
194
5.2.1.
Ранни
е
работы
194
5.2.2.
Д
ал
ь
не
й
ш
и
е
и
с
сл
едовани
я
195
5.3.
Приготовление
заполненных
н
ан
о
ч
а
с
ти
ц
198
из
микропористо
го
углерода
199
5.4.
Свойства
запо
лненны
х
наночастиц
199
5.4.1.
Защита
от
де
градации
под
возде
й
ствием
окруж
аюше
й
с
р
е
д
ы
. .199
5.4.2.
Кап
су
лиров
ани
е
магнитных
мат
ериало
в
200
5.4.3.
Капсу
вировани
е
радиоактивных
материалов
200
5.5.
Техне
газ
202
5.б.
Раскрытие
и
заполнение
нанотруб
при
использовании
химических
методов
и
капилярности
203
5.6.1.
Работа
Ад~ай
яна
и
Ииджимы
•.
.
...
. . . .
..
. .
..
..
. . . . . . .203
5.6.2.
Се
лективное
ра
скрытие
при
и
споль
зо
вании
г
а
з о
ф
а
з
н
ых
ок
сидантов
204
5.6.3.
Ра
скрытие
при
дей
ствии
азотно
й
ки
слоты
206
5.6.4.
Ал
ь
т
е
р
н
а
т
и в
н
ые
жид
кофа
зные
о к
сиданты
208
5
.6
.5.
За
по
л
нение
ра
сп
лав
ленными
м
ат
ери
алами
209
5.6.6.
Эк
спе
р
им
е
нт
ы
по
эффе
ктам
ка
пилля
р
нос
т
и и
смачиванию
21
О
5.6.7.
Хим
ия и
кр
ис
т
алл
из
а
ц
ия
в н
анотр
уб
ах
212
5.6.8.
Би
о
ло
гиче
с
кие
мо
л
ек
у
лы
в н
анотр
уб
а
х
215
5.7.
Запо
лнение
од
нослойн
ых
нанотруб
216
5.8.
Хранение
г
аз
о в
в
нанотруба
х
218
5.9.
Обсуждение
219
Литера
тура
220
ГЛАВА
6.
ПРЕДЕЛЬНОЕ
УГЛЕРОДНОЕ
ВОЛОКНО?
МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
УГЛЕРОДНЫХ
НОНАТРУБ
223
б.l.
Обычные
угл
е
р
о
д
н
о
е
волокна
· .224
б.2.
Графитовые
вискеры
226
б.3.
Каталигически
выращенные
углеро
дное
волокна
228
б.4.
Механические
свойства
углеродных нан
отруб
228
6.4.1.
Теоретические
пре
д
сказани
я
. , " 228
6.4.2.
Каче
ственные
эсперимент
альные
н
аблюдения
с
помощью
тэм
..
229
6.4.3.
Ко
личественны
е
эс
пе
р
и
ме
н
т
апь
н
ы
е
ТЭМ
наблюдени
я
. . . . .235
6.4.4.
Э
к
спериментальные
наб
людения
,
и
спо
л
ьз
ующие
с
канир
ующую
з
о
н
д
о
в
у
ю
микро
скопию
236
~
Coдep~aHиe
6.5.
Углеродные
нанотрубные
композиты
239
б.5.1.
Введение
239
б.5.2.
Связь
между
нанотрубами
и
матрицей
240
б.5
.3
.
Аспектно
е
отношение
242
6.5.4.
Эксперименты
по
внедрению
нанотруб
в
матрицу
243
6.5.5.
Применения
композитов,
содержащих
нанотрубы
245
6.6.
Нанотрубы
как
острия
для
сканирующих
зондовых
микроскопов
246
6.7.
Обсуждение
248
Литература
250
ГЛАВА
7.
ИЗОГНУТЫЕ
КРИСТАЛЛЫ,
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ
ФУЛЛЕРЕНЫ
И
НАНОСТЕРЖНИ
253
7.1.
Хризогил
и
имогопит
254
7.2.
Неорганические
фуллерены
из
слоистых
металлических
дихалькогенидов
258
7.2.1.
Синтез
х
ал
ь
к
о г
е
н и
д
н
ых
ф
у
ллеренов
258
7.2.2.
Структура
халько
генидны
х
фу
лл
еренов
261
7.2.3.
Неор
ганич
еские
фуллерены
как
твердотельные
сма
зочные
материалы
262
7.3.
Нанотрубы
и
наночастицы
состоящиеиз
бора
и
азота
,
..
264
7.3.1.
Бор
-угл
еродно-нитридные
трубы
264
7.3.2.
Чисто
нитрид-борные
трубы
и
наночастицы
265
7.3.3.
Структура
нитрид-борных
труб
и
наночастиц
269
7.4.
Карбидные
наностержни
272
7.5.
Обсуждение
272
Литература
274
ГЛАВА
8.
УГЛЕРОДНЫЕ
ЛУКОВИЦЫ
И
ШАРОВИДНЫЙ
УГЛЕРОД
277
8.1.
Углеродные
луковицы
277
8.1.1.
Открытие
277
8.1.2.
Эксп
ерименты
У
гарт
э
:
об
лучени
е
катодной
сажи
279
8.1.3.
По
л
учени
е
лу
к
о
в
и
ц и
з
дру
гих
угл
е
р
о
д
н
ых
форм
279
8
.1.4
.
Структура
у
глеродных
луковиц
282
8.1.5.
Механизм
обра
зования
углеродных луковиц
_
285
8.1
.6
.
Стабильность
у
глеродных
л
у
к
о в и
ц
287
8.1.7.
Производство
угл
е
ро
д
н
ых
л
ук
о
в
и
ц
в
больших
ко
личествах
288
8
.1.8
.
Обра
зование
алмаза
вн
утри
углеродной
частицы
289
8.2.
Сферические
графитовые
частицы
в
саже
291
8.2.1.
Происхождени
е
__
- 291
8.2.2.
Механизм
роста
:
традиционный
nодход
29
J
8.2.3.
Икоспиральный
механизм
роста
293
Coдep~aHиe
~
8.2.4.
Стр
укт
ура
у
гл е
р
о
дн
о
й
сажи
296
8.3.
Чугун
с
шаровидным
графитом
299
3.3.1.
История
299
8.3.2.
Стр
укт
ура
шаровидного
графита
302
8.3.3.
Проце
сс
осаждения
305
8.4.
Сфероидальные
структуры
в
мезофазной
смоле
305
8.5.
Обсуждение
· . · · · · ·
····
·····
· · · · · ·
··
.307
Литература
308
ГЛАВА
9.
БУДУЩИЕ
НАПРАВЛЕНИЯ
· 311
9.1.
На
пути
к
химии
углеродных
нанотруб
312
9.2.
Новые
чисто
углеродные
структуры
313
9.3.
Нанотрубы
в
нанотехнологии
314
9.4
Финальные
мысли
317
Литература
317
ГЛАВА
10.
НОВЫЕ
вОЗМОЖНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
НОНАТРУБНЫХ
СТРУКТуР
· ·
..
· · .319
10.1.
Общее
состояние
в
мировом
процессе
УНТ
технологий
319
10.2.
Наножидкостные
устройства
320
10.3.
Thзовыедатчики
321
10.4.
Работают
острия
нанотруб
322
10.4.1.
Новый
миниатюрный
р
ент
геновски
й
аппарат
322
10.4.2.
Микроскоп
б
лижн
его
оптическо
го
по
ля
322
10.4.3.
Нановибратор
323
.
10.5.
УНТ
в
электронике
324
10.5.1.
Электрические
контакты
M(!~
компонентами
микросхем
. .
324
10.5.2.
УНТ
полевой
транзистор
-
конкурент
кремниевого
325
10.5.3.
Разделение
ОСНТnо
типу
ПРО80ДИМОСТИ
• •
••
••
• • • • • • • •
326
10.6.
Пряжа
из
УНТ
нитей
· · · · · · · ·
··
· · · · · · ·
.327
10.7.
Организация
углеродных
нанотрубных
пучков
на
подложках
. .
328
10.8.
Новые
полевые
эммитеры
для
экранов
·····
··
.328
10
.9
.
Снижение
работы выхода
электрона
с
однослойных
нанотруб
,
допированных
калием
329
10.10.
ОСНТ
наноизлучатель
света
·
··
. .
·········
···
.329
10.11.
Новая
информация
о
нанотрубах
330
Литература
331
Предметный
указатель
334
Предисловие
редактора
перевода
Нанотехнология
-
наука
об
из
го
т о
вл
е
н и и и
СВойствах
э
л
е
м
е
н
т
о в
те
х
ники
на
атомном
и
молекулярном
уровне
-
у
всех
сейчас
«на
слуху
».
На
ноприборы
и
наномашины
из
таких
элементов
и
з
области
фантазий
уже
переходят
в
современную
жи
знь.
И
частью
этой
науки
является
быстро
р
астущ
ая
ветвь
н
анотрубны
х
и
фуллеренны
х
иссле
дований
,
привлекших
сотни
исследовательских
групп
физиков,
химиков
и
материаловедов.
Проблема
со
з
дания
наноструктур
с
з
ад
ан
н
ы
м
и
свойствами
и
контро
лируемыми
размер
ами
вхо
ди
т
в
чис
ло
важнейших
проб
лем
XXI
века.
Ее
ре
шение
революционизирует
э
л
е
ктр
о
н
и
ку,
материаловедение,
механику, хи
мию
,
медицину
и
биологию.
Перед
вами
первая
и
Пока
е
динс
твен
ная
по
широте
о
хвата
монография
по
уг
л
е
р
о
дн
ы
м
нанотрубам.
Э
т
а
книга
несмотря
на
ее
во
зраст
не
потеряла
своей
актуальности.
Она
уже
завоевала
широкую
популярность
на
Западе
и
стала
классической
,
поскольку
уме
ло
сочетае
т
научную
с
торогость
с
д
о
с
т
а
т
о ч
н
о
популярным
изложением
научно-технических
основ
не
давно
заро
дившейся
области
нанотрубных
иссле
дований.
В
ней
обсуждаются
как
уг
леродные
структуры
,
Включая
ро
дственные
нанотрубам
угл
е
р
од н
ы
е
нано
частицы,
так
и
их
неорганические
«
р
о
д
с
т
в е
н н и
ки
»
,
Отметим
,
что
изуче
нию
их
свойств
и
применений
только
за
после
дние
3
го
да
посвящено
более
5
тысяч
рабо
т
и
обзоров.
Углеродные
нанотр
убы
(УНТ)
являю
тся
ун
и
к
аль н
ы
м
и
макромолеку
лярными
системами.
Их
весьма
малый
нанометровый
д
и
а
м
е
тр
и
большая
микронная
длина
указавают
на
то
,
Что
они
наиболее
близки
по
своей
структуре
к
идеальным
одномерным
(lD
)
си
стемам
.
Поэто
му
УНТ
-
иде
альные
объекты
для
проверки
теории
квантовых
явлений
,
в
час
тности
,
квантового
транспорта
в
низкоразмерных
твердотельных
системах.
Они
химически
и
термически
стабильны
по
крайней
мере
до
2000К,
обладаю
т
превосхо
дной
теплопрово
дностью
,
уникальными
прочностными
и
ме
ха
ническими
х
а
р
а
кт
е
р и
с
т
к
а
м
и
.
К
слову
ска
зать,
буквально
на
днях
поступи
ло
сообщение,
что
правительс-во
США
приняло
программу
по
соз
данию
СПУГНИКового
«
п
о
в
о
д
к
а
»
и
з
самой
прочной
в
м
и
р
е
УНТ
Ни
ти,
тянущейся
от
центра
управления
на
Земле
д
о
самого
спугника.
Надо
отметить
,
что
российские
ученые
,
несмотря
н
а
из
в
е
стн
ы
е
всем
тру
дн
ости
пере
ходно
го
перио
да
истории
нашей
страны
,
активно
принимали
и
принимают
участие
в
этой
области
.
Еше
в
конце
1991r.,
когда
Ииджима
до
ложил
о
первом
наблю
дении
многослойных
нанотруб
,
я
фантазировал
о раз
личных
возможны
х
ины
х
,
чем
известны
й
уже
тог
да
фуллерен
,
по
лых
уг
леро
д
ных
структурах
,
рассуждая
так:
если
фуллерен
разре
зать
пополам
и
между
по
ловинками
вст
авить
свернугый
в
цилиндр
кусок
графитового
листа
,
то
дол
жен
по
лучится
барре
ле
н
-
вытянугая
бо
чкообразная
м
олеку
л
а
.
Расчет
такой
молеку
лы,
прове
денный
в
группе
И.В.Станкевича
(Институг
элементоорга
нических
сое
динений
РАН),
показал
ее
высокую
устойчивость и
указал
на
от
личные
проводяшие
свойства
«
б
е
с
к
о
н
е
чн
о
г
о
»
по
длине
ее
аналога
-
нанот
рубы
.
А
получаться
такие
мо
ле ку
лы
,
как
мне
думалось
,
д ол
жн
ы
были
бы
в
сходных
с
приготовлением
фуллеренов
условиях
,
но
в
присугствии
потоко
вой
составляюшей
углеродного
пара
,
которая
и
определяет
рост
нанотрубы
.
Осенью
1991 r.
э т
и
идеи
обсуждали
сь
на
теоретическом
семинаре
в.л.
Гинзбур
га
в
ФИАН
'е.
На
их
основе
в
конце
это
го
же
1991r.
ЗЯ
.
Косаков
ской
(Институг
радиотехники
и
электроники
РАН)
бьm
успешно
осуществ
лен
оригинал
ьный
мето
д
приготовления
пленок
,
со
держащих
УНт,
при
вы
бивании
э
л
е
ктр
о
н
ным
пучком
угл
е
р о
дн
ог
о
факе
ла
из
графита
.
Е.А.
Федоров
(Московский
государственный
университет)
сгм
иссле
дованиями
подтвер
дил
присугствие
тубеленны
х
молеку
л.
С
татья
об
этом
появилас
ь
в
«
П
и
с ь
м
ах
В
ЖЭТФ
»
в
начале
1992 r.
о
дн
овременно
с
работой
Аджайяна
и
Эбессена
в
Nature,
г
де
в
дуговом
разряде
был
разработан
метод
получения
УНТ
в
макро
количествах
.
В
1994r.
группа
иссле
дователей
во
главе
с
Ю.В
.
Гуляевым
(Ин
ституг
радиотехники
И
эл
е
ктр
о
н
ики
РАН
)
впервые
д
ол
о
жили
о
высокоэф
фективной
по
левой
э
ми
сс
ии
эл
е
ктр
о
н
о в с
нанотруб
на
конференциях:
7
-th
Intemational Y.icuum Microelectronics
Соnfегепсе
'94
и
Boston MRS'94 Fall
Meeting.
Сейчас
это
уже
признанный
факт
,
и
э
м
и
с с
ия
с
УНТ
(см.
Главу
10)
ста
ла
применяться
в
ра
з
личных
приборах.
Так
,
южно-корейская
фирма
Samsung
уже
в
1999 r.
сделала
макет
цветного
телевизора
с
дисплеем
на
на
нотруба
х
,
а
известная
в
мире
фирма
Motorola
л
и
ц
е
нз
иру
ет
сейчас
техноло
гию
дисплеев
на
нанотрубках
,
ба
зируясь
на
опыте
прои
зводства
УНТ
при
низких
т
е
м
п
е
р
а
тур
ах
с
задаваемой
ориентацией
с
их
использованием
в
крупногабаритны
х
плоскопане
льных
д
и
с
пл
е
ях.
Эта
технология
д
а
ст
про
изводителям
возможность
соз
дава
ть
д и
с
пл
е
и
с
качеством
изображения
,
сравнимого
с
качеством
изображения
плазменных
и
LCD
дисплеев
,
но по
более
низкой
цене
.
По
словам специалистов
Motorola,
используя
новую
~
Предисловие
редактора
перевода
технологию,
можно
создавать
дисплеи
с
диагональю
более
50
дюймов
и
толщиной
1
дюйм,
например
для
рекламных
щитов
.
В
электронике
и
оптоэлектронике
наряду
с
транзисторами
и
наноис
точниками
света
,
ИСПОЛЬЗующими
УНТ
,
ожидают
своего
использования
нелинейые
элементы
из
многотерминальных
соединений
нанотруб
(диоды,
переключатели
,
ограничите
ли
тока
и
др.).
УНТ
нанопружины
,
нановибра
торы
,
элементы
механоэлектрических
микромашин
ждуг
широкого
выхода
к
потребителю.
Простота
структуры
нанотруб
позволяет
развивать
новые
теоретичес
кие
модели
структур
из
них
.
Поэтому
новые
неожиданные
примения
ждут
УНТ
в
будущем,
особенно
это
касается
применени
й
в
биологии
(манипули
рование
молекулами
внутри
клетки
,
искусственные
нейронные
сети
,
нано
механическая
память
и
др.).
Конечно,
все
Это
ставит
перед
исследователями
много
Вопросов:
мож
но ли
тиражировать
УНТ
заданной
структуры
и
диаметра
?
Можно
ли
при
усовершенствовании
старых
и
создании
новых
методов
Синтеза
УНТ
нала
дить
многотоннажное
прои
зводство
для
их
ШИРокого
исполь
зования
в
ком
позитах
?
Можно
Ли
синтезировать
совершенные
кристаллы
УНТ
подобно
фуллеритам
С
60
,
создавая
легкие
Пористые
твердые
и
сверхтвердые
матери
алы?
Можно
ли
будет
Получить
высокотемпературные
сверхпроводники
из
нанотруб
(не
обязательно
на
углеродной
основе)
?
Несомненно,
будущее
нанотруб
таит
Много
такого
,
«
ч
то И
не
снилось
мудрецам
».
В
конце
хочу
выразить
благодарность
моим
аспирантам
Инне
Понома
р
е
в о
й и
Елене
Михеевой
за
помощь
в
переводе
Глав
3, 5, 7, 8.
Москва
Сентябрь
2003
Леонид
А.
Чернозатонекий
ГЛАВА
I
ВВЕДЕНИЕ
в
конце концов
,
nод
сканирующим
эл
е
к
т
р
о н н
ы
м
микроскопом
последние
«подпорки
»
атомов
должны
быть
з
ам
е
н
е
н
ы
р
ядами
окончательных
суб-суб
-миниатюрных
«
р
а
с
т
я
ж
е
к
»
такого
по
рядка
размера
,
где
мы
уже
говорим
об
атомном
диаметре
....
Эти
последние
растянутые
в
п
р
овол о
ч
к
и
»
будут
просто
химиче
скими
связями
.
Хуг
Кеннер
,
Баки:
Экскурсия
по
Бакминстеру
Ф
у
ллеру
Способность
углерода
соединяться
с
самим
собой
и
с
другими
атомами
в
ансамблевые
различные
комбинации
цепочек
и
колец
является
основой
для
такой
всеобъемлющей
научной
дисциплины,
как
современная
органичес
кая
химия
.
Однако
до
недавнего
времени
мы
знали
только
два
типа
чисто
углеродных
кристаллических
структур:
алмаза
и
графита
-
естественно
об
разующихся
аллотропных
модификаций
углерода.
Несмотря
на
огромные
усилия
нескольких
всемирно
известных
химиков-синтетиков,
все
попытки
при
готовить
новые
формы
молекулярного
иди
полимерного
углерода
ни
к
чем
у
не
привели:
элегантные
чисто
уг
леродные
структуры
Роальда
Хофф
манна
,
Орвилла
Чапмена
и д
р
угих
оставались
прочно
в
царстве
чистого
вымысла.
В
конечном
итоге
прорыв,
который
революционизировал
науку
об
углероде,
пришел
не
из
химии
органического
синтеза
,
а
из
эксперимен
тов
по
кластерам
,
формирующимся
при
лазерном
испарении
графита.
Гарри
Крото
из
Университета
Сассекса,
Ричард
Смолли
из
Райс
Универ
ситета
Хьюстона
имели
различные
причины
дл
я
проявления
интереса
к
синтезу
углеродных
кластеров
.
С
начала
60-х
годов
Крото
увлекся
процес
сами,
происходящими
на
поверхности
звезд
.
Он
полагал
,
что
эксперимен
ты
по
испарению
графита
могут
дать
ключ
к
пониманию
таких
процессов.
С
другой
стороны,
Смолли,
работая
несколько
лет
над
синтезом
кластеров,
использовал
лазерное
испарение
,
концентрируясь
главным
образом
на
Si
и
ОaЛs
.
Но
он
также
заинтересовался
тем
,
что
может
получиться
при
испаре
нии
углерода
.
В
августе
1985r.
два
ученых
собрались
в
Райсе
и
вместе
с
груп
пой
коллег
и
студентов
начали
новую
знаменитую
серию
экспериментов
по
испарению
графита
.
Они
быпи
сразу
же
ошеломлены
удивительным
резуль
татом
.
В
распределении
газофазных
углеродных
кластеров
,
обнаруженном
~
Г
ла
в
а
1.
В
в
ед
ени
е
Рис
.
1.1.
С
6О
:
БУКМинстерфуллерен.
О
д
н
а
к
о
вначале
дал
ьнейший
прогресс
шел
медленно.
Главной
причи
ной было
то
,
что
количество
С
БQ
,
получаемое
в
экспериментах
К
ро
то
-
Смолли,
было
мизерным:
«
дун
о
в
е
н
и
е
м
В
гелиевом
в
е
тр
е
»
.
Чтобы
СБQ
мог
стать
более,
чем
лабо
рато
рн
ым
кур
ьезом
,
нужно
было
найти какой
-то
путь
для
е
г
о
получения
в
боль
шом
о
бъеме
.
В
конце
конц
о
в,
б
ыл
о
очев
идно,
ч
то
нужна
технология
,
очен
ь
похожая
на
К
рото-Смолливскую
.
В
о
л
ьф
га
н
г
Кретчмер
из
Института
Макса
П
л
а
н
ка
Гайдельберга
и
Дональд
Хаффман
из
Аризонского
Университета
со
своими
соавторами
использовали
вместо
мощного
лазера
простую
угольную
дугу
для
испарения
графита
и
снова
в
атмосфере
гелия.
О
Н
И
собрали
сажу
,
которая
осела
на
стенки
камеры
(1.6) .
Диспергирование
сажи
в
бензоле
привело
к
получению
красного
раствора,
после
просушки
которого
получались
замечательные
пластинчатые
крис
таллы
«
ф
у
лл
е
р
и
т
а»
:
90%
С
БQ
и
10%
С
7
0
•
Р
а
б о т
а
Кретчмера
и
Хаффмана,
опубликованная
в
1990
го,
показала,
что
мак
роскопиче
ские
количе
ства
С
6о
можно
получать,
используя
методы
,
п
риемлемые
для
любой
лаборатории,
и
это
вызвало
поток
исследований.
Углеродные
нанотрубы
,
основной
объект
этой
книги
,
может
быть,
са
мые
важные
пло
ды
этого
исс ле
дования.
Эти
«молеку
лярные
углеродные
волокна
»
,
открытые
в
1991 r.
э
л
е
ктр
о
н н
ы
м
микроскопистом
Сумио
И
ид
жимой
из
NEC
лабораторий
в
Японии
,
состоят
из
крохотных
цилиндров
графита,
закрытых
с
обоих
концов
крышками,
которые
содержат
ровно
шесть
пента
гональных
колец
.
Мы
можем
п р
о
илл
ю
с
тр
и
р
о
в
а
т ь
их
структуру,
рассматривая
две
«
а
р
хит
и
п
ич
н
ы
е»
углеродные
нанотрубы,
которые
можно
образовать
разрезанием
СБQ
-
молекулы
пополам
и
помещением
графено
вого
цилиндра
между
этими
двумя
половинками
.
Раз
деляя
С
БQ
параллель
но
одной
из
осей
третьего
порядка
,
получа
ем
зигзагную
нанотрубу,
пока
занную
на
рис
.
1
.2(а)
,
тогда
как
разрезая
С
БQ
вдоль
оси
пятого
порядка
,
по
лучаем
креслообразную
нанотрубу,
показанную
на
рис
.
1
.2(б).
Термины
«
з
и
гз
а
г
»
и
«
к
р
е
с
л
о»
относятся
К
р
а с
п
о
л
о
ж
е
н
и
ю
гексагонов
по
окружности
.
И
м
е е
т
с
я
третий
класс
ст
руктур,
в
которых
гексагоны
распола
гаются
по
спирали
во
к
руг
оси
тру
б
ы
(см.
Главу
3).
Экспериме
нтал
ьно
труб
ы
вообще
не
так
уж
со
вершенны,
как
показано
на
р
и
с
.
1.2.
О
н
и
могут
б
ы
т
ь
как
мно
гослойными
,
так
и
однослойными
.
Угле
родные
нанотрубы
завоевали
воображение
одинаково
как
физи
ков
,
так
и
химиков
и
материаловедов.
Ф
и
з
и к
о
в
привлекли
их
необычные
электронные
свойства,
химиков
-
их
возможност
ь
служит
ь
трубами-на
нощупами,
а
материаловедов
-
их
потрясающая
жесткость,
прочность
и
упругость.
Н
а
более
гипотетическом
ур
о
вне
нанотехнологи
рассм
атривают
В
в
ед
ени
е
~
Рисунки
двух
нанотруб
,
КОТОрые
могут
быть
С
БQ
молекулы
(1 7)
(а)
з
эа
кр
ь
пы
ПОЛОВИНКОЙ
(5,5)
структура
(с'м
,'Гла
ву
~~::i~~ъ~~~~~~~:~~~/ресельная
Рис.
1.2.
м
асс-сп
ектро
м
етри
е
й
,
С
БQ
б
е
с
сп ор
н
о
д
омини
ровал
над
всем
и эт
.
о
п
ревос-
ход
с
тв о
становилос
ь
даже
более
заметным
в
усло
виях
пр
и
,
Кото
рых
у
велич
и
-
валос
ь
вр
е
мя
«отжига»
кластеро
в
в
г е
л
ии
Не
был
б
.
о
никако
го
очевидного
с
ра-
зу
о
ъяснения
ТОМУ;
что
,
ПОЛУЧилось,
Ничего
с
п
е
ци
ал ь
н
о
г
о
об
ОТКрыт
ых
структурах
из
60
атомов.
М
о
м
е
нт
э
ври
~
ки
П
РИшел,
когда
они
о
с
ознали,
что
з
а
-
крытый
клас
тер
и
з
т
о
ч
н
о
60
угле
ро
дных
ат
омо
в
до
лж
е
н
им
еть
стр
уктур
)',
уни
-
кальную
по
стабильности
и
симме
трии,
как
показано
на
рис
1 1
Х
'
. "
отя
они
не
имели
никакого
прямого
доказательства
ггпет
........
Ul
преДПоложения
такой
структу-
ры,
последующее
Исследование
ПОдтВердило
их
правильность.
Открытие
С
БQ
,
опубликованное
в
ноябре
1985r.
в
Nature (1 1)
~
.
,
и
м
е
л
о
ВоздеИствие
быс
тро
р
а с
п
ро
с
тр
а
НИ
в
ш
е е
с
я
за
пределы
академической
~
'
о
бозна
~
химическои
физики,
и
чило
начало
новои
эры
в
науке
об
углероде
(1.2-1.5).
-
~
х
""~
~
1
J
Х
I
Х
Х
~
1
1
11
Х
!jY
ч
~
1
1 1
1
у
~
~
~
у...-<
о
6
~
Глава
1.
Введение
возможные
устройства
передач
и
подшипников
на основе
нанотруб.
В
этой
книге
предпринята
попытка
перекрыть
как
все
наиболее
важные
области
нанотрубных
исследований,
так
и
провести
обсуждение
подобных
струк
тур,
таких,
как
наночастицы,
углеродные
луковицы
и
«не
органические
фуллерены
».
Эта
открывающая
книгу
глава
начинается
с
короткого
расска
за
об
открытии
углеродных
нан
отруб
и
потом
описывает
некоторые
основ
ные
характеристики
нанотруб,
синтезированных
дуговым
испарением.
Да
лее
обсуждаются
доказательства
существования
нанотруб,
полученные
пе
ред
1991 r.,
и
суммируются
некоторые
направления,
в
которых
развивается
исследование
нанотруб.
И
в
конце
приводиться
схема
организации
данной
книги.
1.1.
Открытие
углеродных
нанотру6,
родственных
фуллеренам
1.2.
Свойства
многослОйНЫХ
нанотруб
~
1.2.
Свойства
многослойных
нанотру6
~
убы
представлен
на
v
ой
сажи,
содерж.ащеи
нанотр
,
Типичныи
образец
катодн
как
увидеть
нанотрубы
сопровож-
увеличении
можно
,
рис.
1.3(а)
при
среднем
.
тицы
(полые
фУЛ1Iеренопо-
включающим
наночас
даются
другим
материалом,
v
углерод
Нанотрубы
колеблются
по
)
оторый
аморфныи
J1
•
добные
структуры
и
нек
кольких
микрометров,
а
по
ам
от
нескольких
десятков
нанометров
до
нес
длин
2 5
до
30
им
.
При
высоком
разрешении,
как на
рис.
внешнему
диаметру
-
от
.
б
азующие
концентрические
идуаль
н
ы
е
слои
,
о
р
l.3(б),
можно
увидеть
индив
ентраль
н
ая
полость
нанотрубы
трубы
.
Довольно
часто
можно
наблюдать,
что
ц
щими
шапками
оДНУ
!ми
слоЯМИ
фактически
закрываю
пересекается
графить
'
бщее
число
слоев
в
данной
тру-
уб
и
уменьшающими
о
или
более
внутренних
тр
IЙ
слой
образует
шапку
цен-
бе
Пример
этого
приведен
на
рис.
1.4,
где
отдельнь
пяти
.
есКИХ
слоев
от
шести
до
.
v
трубы
уменьшая
число
конценгрич
тральнои
,
Ииджима
был
очарован
статьей
Кретчмера и
Хаффмана
в
Nature
и
решил
начать
детальное
ТЭМ-изучение
сажи
,
получаемой
их
методом
.
Он
имел
основательные
причины
считать,
что
она
может
содержать
некоторые
ин
тересные
структуры.
Десятью
годами
раньше
он
исследовал
сажу
,
образо
ванную
в
установке
дугового
испарения,
очень
похожей
на
установку
Крет
чмера
и
Хаффмана
,
и
обнаружил
разнообразие
новых
углеродных
архитек
тур,
включая
жестко
изогнутые
,
закрытые
наночастицы
и
продолговатые
трубообразные
структуры
(1.8, 1.9).
Может,
и
такие
частицы
также
присут
ствуют
в
К-Х-саже?
Первоначальные
ТЭМ-исследования
высокого
разре
шения
были
разочаровывающими
-
сажа,
собранная
со
стенок
камеры
ду
гового
испарения
,
была
почти
полностью
аморфной
с
мало очевидной
про
тяженной
структурой.
В
конце
концов
Ииджима
отказался
от
рыскания
по
саже,
получаемой
со
стенок
камеры
,
и
обратил
внимание
на твердый
ци
линдрический
осадок
,
который
формировался
на
графитовом
катоде
после
дугового
испарения.
Тут
его
усилия
HaKOH~Ц
вознаградились.
Вместо
аморфной
массы
катодная сажа
содержала
целый
ряд
новых
графитовых
структур,
и
наиболее
изумляющими
из
них
были
длинные
полые
волокна
,
более
тонкие
и
более
совершенные
из
когда-либо
виденных
.
Прекрасные
изображения
Ииджимы
углеродных
нанотруб,
показанные
впервые
на
кон
ференции
в
Ричмонде
(Вирджиния
,
США)
в
октябре
1991 r.
и
опубликован
ные
в
Nature
месяцем
позже
(1.10) ,
побудили
«
ф
у
лл
е
р
е
н
н
о в
ы
х»
ученых
в
мире
снова
осмотреть
использованные
угольные
катоды,
ранее
выбрасыва
емые
как
старье
.
а
б
Рис.
1.3.
убы
сажи
Масштабная
(а)
тЭМ-изображение
содержашей
нанотр
ображен~е
отдельных
шкала
100
нм.
(б)
Сильно
увеличенное
из
труб
.
Масштабная
шкала
10
нм
.
~
Глава
1.
Введение
Рис
.
1.6.
Японская
баМбуковая
"; i
~
: '
геmагоналЬные
кольца~~~~::::~:::Я~;~;~ТЕ=~~::~~ые
и
Рис.
1.4.
Изображение
высокого
разрешения
м
«
В
нутр
е
н
н
е
й
шапкой
»
.
Масштабная
ш~~:~ой
нанотрубы
с
Рис
.
1.5.
И
зображ
ение
ТИпичной
штабная
шкала
5
нм.
шапки
МНОГОСлойной
нанотрубы.
Мас-
1.2.
Свойства
многослойных
нанотруб
~
Как
отмечалось
выше,
почти
все
трубы
закрыты
с
обоих
концов
шапками,
которые
содержат
пентагональные
углеродные
кольца
.
На
практике
шапки
быва
ют
редко
полусферами
по
форме
,
но
могут
быть
разнообразных
морфологий,
ти
пичный
пример
которых
приведен
на
рис
.
1.5.
Часто
наблюдаются
более
сложные
структуры
шапок
из-за
присугствия
гептагональных
колец
наряду
с
пентагональ
ными
(1
.11)
.
Ииджима
часто
иллюстрирует
роль,
играемую
пентагональными
и
гегпагональными
кольцами
в
нанотрубных
шапках,
ссылкой
на
искусство
изго
товления
японской
корзины
,
вид
которой
показан
на
рис.
1
.6,
где
негексагоналъ
ные
кольца
играют
подобную
топологическую
роль.
Структуры
,
аналогичные
на
нотрубным
,
встречаются
также
среди
вирусов
(см
.
Главу
3)
и,
может
быть,
неиз
бежно,
среди
архитектурных
построений
Букминстера
Фуллера
(рис.
1.7).
..
t . .
'.
..
;I r .,
~.
• 1.. - ..-
.
~
...:
"
".. .
Рис
.
1.7.
Первоначальная
«
б
а
ки
труб
а»?
Чертеж
Букминстера
Фуллера
для
входного
павильона
купола
Union Tank
Саг
Сотрапу
,
Ватоп
Rouge, Louisiana
(США)
(1.12).