Синтез фуллеренов и нанотрубок

Фуллерены и нанотрубки — это об­ширные классы интереснейших нано­структур. Например, среди фуллере­нов известно множество частиц и изо­меров от малых (С₂₀, С₂₈) до гигант­ских (С₂₄₀, С₁₈₄₀) с совершенно различ­ными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.

Синте­зированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кри­сталлов. Например, фуллерен С₂₈ име­ет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (ок­сидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.

Из нанотру­бок получают очень интересные мате­риалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из пе­реплетенных, подобно растительным во­локнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодят­ся. Найдены вполне реальные облас­ти применения нанотрубок — напри­мер, в плоских дисплеях (фирма «Mo­torola»), которые превосходят плаз­менные и жидкокристаллические ана­логи, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10^-15 г) - в час­тности, вирусы.

Химия одиночной молекулы

Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.

Основное в химии одиночных молекул - анали­тические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 году, и тог­да же во многих научных центрах начали актив­но развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и пред­сказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы по­лучить первый колебательный спектр одной ад­сорбированной частицы.

Идея сканирующей туннельной мик­роскопии проста - игла туннель­ного микроскопа направлена на моле­кулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иг­лой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не пе­рекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-ко­лебательными уровнями адсорбиро­ванной молекулы, и происходит рез­кий скачок проводимости. Значение на­пряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго инди­видуально для каждой молекулы, а по­тому дает ее точный «портрет».

Безусловно, улучшается качество знания и его точ­ность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожи­данные знания. Например, гетероген­ный катализ и биологическое подраз­деление химии ожидает подъем имен­но на базе новых технологий.

Хи­мия одиночных молекул - это в пер­вую очередь инструмент для управле­ния химическими реакциями, а также для создания новых высоких молеку­лярных технологий.

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необ­ходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное дости­жение химии одиночных молекул.

Если подытожить все, что уже на­учились делать с отдельными молеку­лами, то получится весьма внушитель­ный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее перехо­дить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертика­ли - с иглы на поверхность и обрат­но); помещать в нужное место и раз­рывать. Зачастую все эти манипуля­ции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряже­ния.

Сканирующие туннельные микро­скопы и родственные им приборы ис­пользуют в качестве рабочих инстру­ментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекорд­ную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную спо­собности. Можно направленно изме­нять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, элек­троники, техники и медицины.