Глава 6. Области применения углеродных нанотрубок и

нановолокон 203

6.1. Композиты 203

6.2. Функциональные устройства 206

6.3. Другие области 216

Вопросы и задания к главе 6 219

Глава 7. Нанотрубки неорганических веществ 219

Вопросы и задания к главе 7 229

Глава 8. Методы характеризации нанотрубок230

Вопросы и задания к главе 8 233

Заключение 233

Цитированная литература 235

Предисловие

Открытие фуллеренов и идентификация углеродных нанотрубок стимулировали резкий всплеск исследований этих и подобных им веществ, в определенной степени стали этапом в развитии материаловедения, приборостроения и возникающей нанотехнологии.

В 2002 г. в России создано новое направление в образовании: «нанотехнология», в рамках которого имеются две специальности: «наноматериалы» и «нанотехнология в электронике». В Российском химико-технологическом университете (РХТУ) им. Д.И. Менделеева была организована кафедра нанотехнологии и наноматериалов и в 2003 г. на неё осуществлен первый прием студентов. Подобные кафедры сейчас имеются и в ряде других технических университетов страны. На студентов, обучающихся на этих и родственных им кафедрах, в первую очередь ориентировано учебное пособие.

Пособие имеет некоторую предисторию. Несколько лекций по курсу «Функциональные неорганические материалы», созданного и прочитанного мною в 1990–2001 гг. в РХТУ им. Д.И. Менделеева, были посвящены фуллеренам и нанотрубкам. В 1999–2000 гг. сотрудникам кафедры технологии кристаллов и заведующему этой кафедрой читался курс лекций по углеродным нанотрубкам. Небольшой факультативный курс лекций «Основы нанотехнологии», который был прочитан в 2000–2002 гг., также содержал сведения о фуллеренах и нанотрубках. В 2005 г. студентам и аспирантам нескольких кафедр РХТУ им. Д.И. Менделеева был прочитан факультативный курс лекций «Фуллерены и нанотрубки». Кроме того, в 1999–2006 гг. я опубликовал несколько обзоров, посвященных нанотрубкам. Эти лекции и публикации послужили основой настоящего пособия, которое в предлагаемом виде включает значительно дополненный и по возможности обобщенный материал.

Основное место в учебном пособии занимают углеродные нанотрубки и нановолокна, что связано с моими научными интересами и, как предполагается, отвечает потенциальной роли нанотрубок в развитии современного материаловедения. Фуллеренам отведена сравнительно скромная роль, и сведения о них приводятся главным образом в качестве своеобразного введения, для представления общей картины строения и свойств углеродных наноматериалов.

Нанотехнология – междисциплинарное направление. Поэтому «уложить» сведения о двух важнейших материалах нанотехнологии в рамки какой-либо одной ветви фундаментальной науки невозможно. Содержание книги основано на положениях неорганической, органической, физической и коллоидной химии, изложение базируется на определенных понятиях химической технологии, материаловедения и предполагает знание основ химии твердого тела, кристаллографии и некоторых начал биохимии.

В предлагаемой книге нет готовых рецептов и рекомендаций, ее целью является общий обзор накопленных сведений. Она показывает лишь тенденции и раскрывает некоторые возможности, открывающиеся перед материаловедами, химиками, физиками и биологами. При этом, если иметь в виду технологию, далеко не все возможности будут реализованы хотя бы по экономическим причинам.

Учебное пособие на предлагаемую тему может считаться первым, поэтому предполагалось, что основной задачей является собрать факты и расставить их по возможности в таком порядке, чтобы между этими фактами была видна связь. Главной задачей было показать своеобразную иерархию сведений и их соподчиненность. Создав основную структуру ниш, далее можно заполнять эти ниши новой информацией, дробить отдельные ниши, присоединять к ним новые. Такой подход вызван тем, что область знаний, которой посвящено учебное пособие, развивается очень быстро. Так, число статей, посвященных фуллеренам, в 1991 г. превысило 300, а уже в 1993 г. – 1300 в год и держится на этом уровне. Количество оригинальных и обзорных статей по углеродным нанотрубкам еще в 2000 г. перешло рубеж в 1000, а сейчас значительно превосходит число публикаций по фуллеренам.

Большой интерес к предмету обусловливает также и определённую «невылежанность» информации. Это в известной степени также сказалось на построении и содержании учебного пособия, которое, в соответствии с замыслом, содержит значительно больше сведений, чем это необходимо для первого знакомства с нанотрубками. Для облегчения этого знакомства принята двухуровневая схема построения текста: детализация часто дается более мелким шрифтом.

Не устоялась и терминология по нанотрубкам. Видимо, поэтому в научных статьях можно встретить термины, которые скопированы с чужого языка, хотя имеют русские эквиваленты. Примеров много: «тубулен» вместо «трубка», «одностенный» вместо «однослойный», «депозит» вместо «осадок», «прекурсор» вместо «предшественник», «мисфитные структуры» вместо «структуры несоответствия», «сурфактант» вместо «ПАВ», «пипод» вместо «стручок», «онион» вместо «луковица», «субстрат» вместо «подложка», «тест-трубы» вместо «пробирки» и др. Нередко встречаются и вовсе уродливые слова и выражения, в которых русские корни сочетаются с иностранными («мультислойный») или русские слова чередуются с написанными латиницей английскими. Почему-то особенно популярна аббревиатура «CVD» вместо «химическое осаждение из газовой фазы, ХОГФ». Однако русский язык достоин более бережного отношения, специальные знания не заменяют общей культуры, поэтому в учебном пособии предпринята попытка сдержать бездумное использование чуждых слов и выражений. Насколько это удалось – судить читателю.

Книга основана на многочисленных оригинальных публикациях, вместе с тем ссылки во избежание загромождения текста даны лишь на наиболее важные и оригинальные работы. Значительную часть ссылок можно найти в цитируемых обзорах.

Информационному обеспечению работы над обзорами, лекциями и книгой способствовало многолетнее и плодотворное сотрудничество с редакторами реферативного журнала «Химия» Н.А. Василенко, О.Е. Горчаковой, и Н.И. Кирилловой, которым я глубоко благодарен.

Благодарю редколлегию журнала «Успехи химии», издательства «Элзевир» (Elsevier), «Вилей и сыновья» (John Wiley and Sons Ltd), Америанское химическое общество и Американское физическое общество за разрешения воспроизвести в учебном пособии некоторые опубликованные ранее материалы (заимствования указаны в тексте).

Должен выразить признательность всем, кто передавал или присылал мне оттиски своих обзоров и статей, результаты своих работ, наиболее важные и интересные статьи других авторов, указывал ссылки на такие статьи и книги. Здесь должен подчеркнуть вклад Ю.М. Балаклиенко, Е.И. Гиваргизова, Б.М. Гинзбурга, А. Горбунова, А.В. Елецкого, А.Л. Ивановского, Е. Каца, Н.А. Киселева, А.С. Котосонова, А.В. Крестинина, Г.Г. Кувшинова, Е.Ф. Куковицкого, Х. Лорана, А.Г. Насибулина, А.В. Окотруба, Б.В. Пешнева, Б.В. Спицына, Б.П. Тарасова, Л.А. Чернозатонского, Ю.М. Шульги. Некоторые материалы были любезно предоставлены компаниями «Шова Дэнко» и «Жастеро».

Разделы текста, связанные с биологией, были прочитаны доц. Н.М. Мурашовой, полезные дополнения и замечания которой были с благодарностью приняты.

Некоторые расчеты для книги были выполнены аспирантами С.Н. Блиновым и И.Г. Ивановым. В книге частично использованы экспериментальные данные, полученные этими аспирантами, а также аспирантами Д.А. Гришиным, И.В. Аношкиным, доцентом Ю.В. Гавриловым и студентами-дипломниками. При написании обзоров и книги большую помощь оказал аспирант И.В. Аношкин, взявший на себя значительную часть работы по поиску и подбору необходимой литературы, а также по оформлению иллюстраций. Спасибо им всем.

Не могу не выразить свою признательность Елене Васильевне Раковой, без решающего участия которой книга вообще не могла бы появиться.

Вместе с тем, за все недочеты текста и иллюстраций полную ответственность несу только я. Буду благодарен читателям за указания о таких недочетах и сообщаю свои адреса: [email protected]; 125047 Москва, Миусская пл., 9, кафедра нанотехнологии и наноматериалов РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Было бы логично излагать материал в предлагаемой книге по принципу «от простого к сложному», в рассматриваемом случае от графита (плоская структура) к углеродным нанотрубкам (изогнутые в одном направлении графитовые плоскости), наноконусам и далее к фуллеренам (изогнутые в двух направлениях плоскости). Однако это не отвечало бы истории открытия новых форм углерода и последовательности накопления знаний об этих формах. Кроме того, несмотря на то, что многие разделы химии фуллеренов исследованы раньше и более детально, химия нанотрубок значительно разнообразнее химии фуллеренов и дает больше возможностей для создания новых материалов. Поэтому фуллерены рассматриваются первыми.

Глава 1. Введение