Текст книги "Нанотехнологии. Правда и вымысел"

Автор книги: Виктор Балабанов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 20 страниц) [доступный отрывок для чтения: 8 страниц]

Рис. 18. Структура наночастицы – золотого фуллерена Au6 (рисунок с сайта eurekalert.org)

Если минимальное число атомов углерода, необходимых для создания полой замкнутой молекулы, 60, то для создания аналога из золота потребовалось намного меньше атомов.

По словам руководителя исследования, профессора физики из Университета штата Вашингтон Лай-Шэн Ван (Lai-Sheng Wang), синтезированные молекулы состоят из 16, 17 и 18 атомов золота. Они образуют треугольники, из которых в дальнейшем и формируются более сложные структуры. Молекулу Au16 получают за счет изъятия четырех угловых атомов золота из неполой структуры Au20 и последующего подогрева оставшейся структуры. Когда сообщенная системе энергия превышает энергию активации, необходимую для перестройки, атомы сами выстраиваются в наиболее энергетически выгодную структуру.

Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут также образовываться протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 году С. Ииджимой и отличающиеся широким разнообразием физико-химических свойств.

Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр, полученный при сворачивании графеновой плоскости, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода (рис. 19).

Рис. 19. Модель идеальной однослойной нанотрубки

Графен – это нанотрубка, развернутая в двухмерный лист. Данный наноматериал представляет собой пленку из атомов углерода, составляющих одну молекулу. Он назван двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электрический ток. Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена он характеризуется высокой мобильностью электронов, представляя собой очень перспективную основу наноэлектронных устройств.

В отличие от фуллеренов, нанотрубки могут содержать несколько слоев. Наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, показали, что большинство нанотрубок состоят из нескольких графеновых слоев, вложенных один в другой или навитых на общую ось. Такие многослойные структуры получили название «луковичные структуры» – онионы (англ. onion – луковица). Они очень сложны и могут даже не иметь симметрии. Большие куски таких «гигантских» фуллеренов графитизированы, а расстояние между слоями близко к расстоянию между углеродными слоями в графите (0,33 нм). Подобные структуры формируются вложением друг в друга (как в матрешке) молекул С60, С240, С960, С1500, С2160, С2940 и т. д. Тем не менее у онионов имеются предпочтительные виды симметрий: сферическая симметрия и симметрия относительно оси пятого порядка. Чем больше размеры частицы, тем ярче выражен этот эффект. Такие структуры образуются в случае замещения структур с ненулевой кривизной (пятиугольники в обычных фуллеренах) на графитовые слои.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной модели. Это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, наряду с правильными шестиугольниками, содержащими по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает диаметр.

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций. Их поперечная структура имеет две разновидности (рис. 20). Одну назвали «русская матрешка», так как она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Другая напоминает скатанный рулон или свиток. В рассмотренных структурах среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, составляет 0,335 нм.

Кроме того, эти нанотрубки самоорганизуются в связки-жгуты сечением более одной десятой миллиметра, что делает их очень многообещающими для технического применения в качестве многоканальной системы передачи информации или механических конструкций (рис. 21).

Рис. 20. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а – «русская матрешка»; б – свиток

Рис. 21. Электронно-микроскопическое изображение жгута однослойных углеродных нанотрубок (10,10) [10]

В настоящее время выяснились совершенно фантастические свойства нанотрубок. По прочности они значительно превосходят железо и близки к алмазу, в то же время по массе такие трубки легче пластика. Осталось научиться делать их как можно более длинными – размеры трубок связаны с прочностью изготавливаемых веществ.

Оказывается, узор однослойной нанотрубки определяет ее электронные свойства: нанотрубки с разными узорами могут быть металлами, полуметаллами и полупроводниками. Они являются прекрасными проводниками электричества и теплоты и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, нанотрубки способны испускать электроны, вследствие чего могут найти применение в сверхтонких дисплеях. К тому же открылась возможность собирать из нанотрубок различные наномеханизмы с зацепами и шестеренками.

Группе ученых из Австралийского национального университета города Канберры на основе углеродных нанотрубок удалось создать еще одну новую форму углерода – нанопену. В процессе нагрева углеродной мишени мощным лазерным пучком с амплитудой 10 000 импульсов в секунду при температуре около 1000 °C был получен новый материал в виде мельчайшей сетки (пены), состоящей из нанотрубок.

Полученный материал обладает магнитными свойствами, хотя сам углерод таковых свойств не имеет. Это достоинство нанопены, по мнению австралийских ученых, наряду с высокой поглощающей способностью к инфракрасному излучению (нагреву), может сыграть важнейшую роль в медицине при обнаружении и уничтожении различных опухолей. При введении нанопены в кровеносную систему появляется возможность ее отслеживания с помощью магнитно-резонансной томографии и последующего лечения пораженных участков за счет более интенсивного инфракрасного нагрева больных тканей, не травмируя соседние здоровые клетки.

Нанотрубки обладают другими уникальными возможностями и свойствами, которые рассматриваются в последующих главах. При этом углерод не единственный материал для нановолокон и нанотрубок. В настоящее время получены нанотрубки из нитрида бора, карбидов бора и кремния, оксида кремния и ряда других материалов.

В связи с постоянным и бурным развитием нанотехнологий будет наблюдаться процесс непрерывного открытия и создания других самых разнообразных форм и разновидностей объектов. Благодаря указанным выше геометрическим характеристикам их также можно будет можно отнести к наноматериалам.

Недавно сообщалось о создании новой разновидности наноструктур – своего рода нанотравы, которая представляет собой достаточно плотный слой нановолокон, перпендикулярно ориентированных к поверхности подложки.

Нанотрава состоит из так называемых вискеров (от англ. whisker – волос, шерсть; «усы», неорганические волокна) – нитевидных кристаллов диаметром от 1 до 10 мкм (отношение длины к диаметру – более 1000).

Наибольший интерес представляют манганитные вискеры состава Ba6Mn24O48. Сам по себе манганит – это минерал из класса окислов и гидроокислов с химическим составом MnO(OH), который в общем случае содержит 80,66 % MnO, иногда примеси Fe, Al, Ba, Pb, Cu и др.

Вискеры, по мнению ученых, – один из перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств, из которых можно изготавливать плетеные материалы или вату, но пока исследования в этой области находятся только в начальной стадии развития.В природе практически нет абсолютно однородных материалов. Многие из окружающих нас веществ представляют собой смесь различных сред (дисперсных систем). В зависимости от агрегатных состояний диспергированной системы (расположенной внутри) и дисперсной системы (являющейся основой или каркасом) вещества получили разное наименование (табл. 5).

Таблица 5. Типы дисперсных систем

Благодаря сочетанию свойств многие из дисперсных сред являются перспективными нанотехнологическими материалами. К таким материалам относится аэрогель – класс дисперсных сред, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза (диспергированная система) полностью замещена газообразной. По внешнему виду аэрогель напоминает обыкновенный пенопласт, а по структуре представляет собой древовидную сеть (дендриды) из объединенных в кластеры наночастиц размером 2–5 нм и полостей размерами до 100 нм. Поры аэрогеля могут занимать до 90–99 % всего объема вещества, при этом его плотность составляет всего от 1 до 150 кг/м3.

В результате аэрогели при очень низкой плотности обладают относительно высокой твердостью, прозрачностью (выдерживают нагрузку, в 2000 раз превосходящую собственный вес), жаропрочностью и т. д.

Изобретателем аэрогеля принято считать американского химика Стивена Кистлера (Steven Kistler) из Тихоокеанского колледжа (College of the Pacific) в Стоктоне. Он получил новый материал, замещая жидкость в геле метанолом. При нагревании полученного геля до достижения критической температуры (240 °C) под давлением метанол практически полностью испарялся, а сама гелевая основа «высыхала», превращаясь в твердую фазу и практически не уменьшаясь в объеме. В 1931 году полученные результаты Стивен Кистлер впервые опубликовал в журнале Nature.

Наиболее исследованы аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глиноземов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х годов получены первые образцы аэрогеля на основе углерода.

Рассматривая дисперсную систему аэрогелей, мы упомянули термин «дендриды» (греч. дендрон – дерево, англ. dendritic – ветвящийся, древовидный). В настоящее время принято выделять и особый класс наночастиц – дендримеров – химические соединения (наноструктуры размером от 1 до 10 нм), образующиеся при соединении молекул, обладающих ветвящейся структурой (древообразные полимеры).

Дендримеры являются полимерной структурой и состоят из мономеров, структурированных в древовидную форму (рис. 22).

Рис. 22. Рост дендримерной молекулы из основы N-X-N (вверх) и внешний вид дендримера

Разветвленная структура, похожая на крону деревьев, имеет множество внутренних полостей, которые можно заполнять теми или иными веществами, создавая объекты с соответствующими свойствами. Например, собирать различные наноэлектронные и наноэлектромеханические системы с использованием сканирующей зондовой микроскопии. Если полости дендримеров заполнить лекарственным или косметическим средством, их можно использовать в качестве нанокапсул для доставки к пораженным клеткам человеческого организма, заполнив серебром, можно применять как бактерицидное средство и т. д.

Несколько слов следует сказать о квантовых точках (англ. quantum dots)  – малых фрагментах проводника (полупроводника), ограниченных по всем трем пространственным измерениям, содержащих электроны проводимости и характеризующихся наличием квантовых эффектов.

Квантовые точки, разрабатываемые для нужд радиоэлектроники, представляют собой конгломераты атомов классических полупроводниковых материалов (Si, InP, CdSe и др.), покрытых слоем изолирующего материала. Они могут состоять из десятков тысяч атомов, при этом габариты конгломерата исчисляются единицами нанометров.

Квантовые точки могут быть произведены как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Применительно к электронной технике квантовые точки обладают свойствами, принципиально отличными от объемных полупроводниковых материалов. Однако из-за пространственного ограничения движения носителей заряда в них проявляется квантово-размерный эффект дискретной структуры электронных уровней, вследствие чего квантовые точки иногда называют «искусственными атомами» (рис. 23).

Рис. 23. Схема коллоидной квантовой точки: 1 – эпитаксиальная оболочка ZnS (структурный тип сфалерита); 2 – ядро CdSe; 3 – гидрофобная поверхность

Одно из свойств этих нанокристаллов – способность излучать видимый свет строго определенной длины волны. Изменяя размер квантовой точки, изготовленной из одного и того же материала, можно варьировать цвет излучения. Например, квантовая точка диаметром 2 нм светится синим, а 6 нм – красным цветом. Вследствие высокой размерной однородности (более 95 %) квантовые точки испускают достаточно узкий спектр волны (полуширина пика флуоресценции – всего 20–30 нм), чем достигается феноменальная чистота цвета. Это свойство очень существенно для возможного производства экологически чистых дисплеев на квантовых точках, обладающих высоким качеством передачи цветовой палитры изображения.

В зависимости от размера и химического состава наночастицы также обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Квантовые точки могут производиться и поставляться на рынок наноматериалов в виде растворов в таких неполярных органических растворителях, как гексан, толуол, хлороформ или даже в виде сухих порошков.В то же время следует указать, что не стоит так просто относить все, что имеет наноскопические, а тем более микроскопические размеры, к нанотехнологиям, ведь тогда, например, зубной порошок, муку, крахмал и многие другие материалы тоже следует называть нанотехнологиями. Трубочист только и имеет дело с нанообъектом (сажей), но это же не значит, что он специалист по нанотехнологиям.

Создание искусственных наноматериалов

Нанотехнологии – это технологии XXI века. И страна, которая будет их внедрять, станет лидером XXI века…

А. Д. Жуков, вице-премьер Правительства Российской Федерации

Для исследования объектов и процессов нанотехнологий, создания наносистем и развития наноиндустрии необходимо было разработать эффективные способы получения наноструктур и наноматериалов в достаточном (коммерческом или промышленном) количестве.

Исходным сырьем для наноматериалов являются в первую очередь, металлы и их оксиды (например, порошки оксида титана, оксида кобальта и др.), монтмориллонит, природные и синтетические полимеры. Кроме того, в России имеются ценные отходы производств, переработка которых позволяет получать компоненты, используемые в нанотехнологиях для выпуска продукции с достаточно высокими эксплуатационными свойствами. В частности, при синтезе нанополимерных композиционных материалов с рекордными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками. Наносистемы на основе природных полимеров могут служить исключительно эффективными носителями биологически активных веществ, сорбентов и других материалов, которые широко используются в медицине, фармацевтике, при решении экологических проблем, связанных с утилизацией токсичных компонентов почвы, воды, атмосферы, в агропромышленном комплексе.

Наибольшее распространение в настоящее время получили нанодисперсные (ультрадисперсные) порошковые материалы.

Для их производства применяются следующие технологии: восстановление, электролитический метод, разновидности золь-гель технологии и плазмохимический метод.

1. Получение ультрадисперсных порошковых материалов восстановлением – один из самых дешевых методов, широко используемых для производства высокочистых металлических порошков.

2. При электролитическом методе применяется электролиз водных растворов, дающий порошки Fe, Cu, Ni, а также расплавов солей Ti, Zr, Nb, Ta, Fe, U, что, естественно, повышает себестоимость получаемой конечной продукции. Данная технология обеспечивает получение частиц с размерами в несколько десятков нанометров, имеющих дендритную форму.

3. При синтезе нанопорошков методом золь-гель технологии в предварительно разогретую смесь первичного реагента с необходимыми добавками быстро добавляется второй реагент. В процессе химической реакции образуется пересыщенный раствор заданного соединения, стремительно проходящего нуклеацию (в данном случае – начальная стадия фазового перехода от жидкого агрегатного состояния вещества к твердому) и вступающего в стадию роста кристаллов. Создание условий, при которых продолжительность нуклеации значительно меньше стадии роста, позволяет получать кристаллы с достаточно стабильными нанометрическими размерами.

4. Разновидность данного метода заключается в том, что в начале готовится «холодная» смесь реагентов, в которой скорость образования целевого вещества незначительна. При нагревании приготовленного раствора до необходимых температур образуется заданный продукт с концентрацией, достаточной для нуклеации. После быстрой и интенсивной нуклеации концентрация падает, и дальше происходит только рост образовавшихся частиц. В период роста кристаллов поддерживается температура, при которой процесс образования целевого вещества медленнее процесса его кристаллизации.

Достоинство обеих разновидностей золь-метода – возможность управлять размером, формой и степенью кристалличности наночастиц, варьируя комбинацию температуры и соотношения концентраций исходных реагентов и стабилизатора. Осажденные наночастицы отделяют от реагента в центрифугах. Золь-метод обеспечивает возможность формирования достаточно монодисперсных наночастиц различных полупроводников и металлов. Как мы видим, именно золь-методами получают радиоактивные материалы, при этом особое место отводится качеству и производительности задействованных центрифуг.

5. Наиболее рационально получать нанодисперсные порошки тугоплавких металлов (W, Mo, Ni) и их соединений (карбидов, нитридов и др.) плазмохимическим методом, представляющим собой восстановление металлов из их соединений под действием восстанавливающих газов. Электрической дугой высокой интенсивности в плазмотроне поддерживается плазма с температурой до 10 000 °C. При такой температуре в плазме, через которую пропускают газообразный восстановитель (водород или углеводороды и конвертированный природный газ), исходный материал расплавляется, а затем конденсируется в твердую дисперсную фазу.

Для получения фуллеренов оптимальным материалом является графит, поскольку он сам изначально имеет много общего со структурой фуллеренов. Однако в настоящее время ведутся интенсивные поиски и других способов синтеза, в которых исходным сырьем служат, например, смолистые остатки пиролиза углеродсодержащих материалов, нафталина и ряда других материалов.

В таблице 6 представлены наиболее распространенные способы получения наноматериалов.

Таблица 6. Основные способы получения наноматериалов

Известны работы, в которых электрическую дугу между электродами пропускают в среде растворителя – толуола и бензола. При этом, как показывает последующий масс-спектрометрический анализ, растворитель заполняется кластерами углерода с числом атомов, меняющимся от 4 до 76.

Газофазный метод (при 4000 °C и выше), обычно используемый для получения фуллерена С60СНТ, годится только для «гостевых» молекул, которые термически стабильны и могут подвергаться сублимации или испарению.

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. На рис. 24 показана простейшая схема установки для получения фуллеренов, предложенная В. Кречмером.

Рис. 24. Простейшая схема установки для получения фуллеренов: 1 – графитовые электроды; 2 – охлаждаемые медные шины; 3 – медный корпус; 4 – упругие пластины (пружины)

Распыление графита осуществляется при пропускании через его электроды 1, расположенные на охлаждаемых шинах 2 тока с частотой 60 Гц, силой тока от 100 до 200 А и напряжением 10–20 В. Регулируя натяжение пружин 4, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием с давлением 100 торр (то же, что 1 мм рт. ст.). Эффективность испарения графита в установке может достигать 10 г/В. При этом поверхность медного корпуса 3, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, то есть графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, получится темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе образуется мелкодисперсный порошок. Его масса составляет не более 10 % массы исходной графитовой сажи. В порошке содержится до 10 % фуллеренов С60 (90 %) и С70 (10 %). Этот метод получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно «гасят» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия поглощают энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыты показывают, что оптимальное давление гелия составляет 100 торр. При более высоком давлении агрегация фрагментов углерода затрудняется.

Для получения углеродных нанотрубок в настоящее время разработана более совершенная технология – синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия. Типовая схема электродуговой установки для изготовления наноматериалов, содержащих как нанотрубки и фуллерены, так и другие углеродные образования (например, конусы), показана на рис. 25.

При данном способе дуговой разряд возникает и поддерживается в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа (гелия или аргона) порядка 500 торр. Обычно межэлектродное расстояние, устанавливаемое автоматически, составляет 1–2 мм. Для получения максимального количества нанотрубок ток дуги должен составлять 65–75 А, напряжение – 20–22 В, а температура электронной плазмы – порядка 4000 К. В этих условиях графитовый анод интенсивно испаряется, поставляя отдельные атомы или пары атомов углерода внутрь камеры. Из этих паров на катоде или на охлажденных водой стенках формируются различные углеродные наноструктуры.

Рис. 25. Схема установки для получения нанотрубок электродуговым методом

В большинстве случаев на катоде формируется твердый осадок макроскопического размера (в виде плоского пятна диаметром 11–12 мм и толщиной до 1,0–1,5 мм). Он состоит из наносвязок – нитей длиной 1–3 мкм и диаметром 20–60 нм, содержащих 100–150 однослойных или многослойных нанотрубок, уложенных в гексагональную упаковку. Такие связки напоминают связки круглых бревен, которые перевозят на лесовозах, или плоские плоты на лесосплаве. Нити наносвязок и отдельные нанотрубки часто образуют беспорядочную (а иногда и упорядоченную) сеть, похожую на паутину. Пространство этой паутины заполнено другими компонентами частиц углерода. Поскольку электронная плазма дуги неоднородна, не весь графит идет на строительство нанотрубок. Из большей части графитового анода образуются различные наночастицы или даже аморфный углерод, которые можно назвать общим словом «сажа».

Чтобы освободиться от других углеродных образований, осадок подвергают ультразвуковой обработке в какой-либо жидкости: этаноле, толуоле, дихлорэтане, бензоле или иных неполярных растворителях. В результате диспергирования можно получить как отдельные нанотрубки, так и нерасщепленные наносвязки (в основном, C60 и C70) с выходом до 10 % по массе. Для отделения сажи раствор после диспергирования заливают в центрифугу. То, что остается в жидкости, и есть раствор, содержащий нанотрубки или наносвязки, которые используют для исследований и практического применения.

Считается, что при образовании фуллеренов сначала формируются жидкие кластеры углерода, а затем эти кластеры кристаллизуются в фуллерены с испусканием свободных атомов и микрокластеров. Однако имеются и другие способы образования фуллеренов (например, посредством отжига углеродных кластеров). Эти способы, в отличие от различных моделей «сборки» фуллеренов, не предусматривают определенной структуры кластеров – предшественников фуллеренов.

При абляции (испарении) графита углеродные кластеры образуются в результате конгломерации атомов и микрокластеров, состоящих из нескольких атомов, что подтверждается расчетами. Образование кластеров в парах углерода может происходить как гомогенная нуклеация (образование зародышей жидкой фазы в метастабильном пересыщенном паре) или как спиноидальный распад (разделение на фазы вещества, находящегося в термодинамически нестабильном состоянии).

Другая возможность эффективного образования больших углеродных кластеров – конгломерация нескольких кластеров, состоящих из десятков атомов. Такой процесс происходит, например, при абляции высших оксидов углерода. Масс-спектр углеродных кластеров, полученных при абляции сажи, указывает на возможность сосуществования этих двух путей образования больших углеродных кластеров: масс-спектр имеет два максимума в распределении фуллеренов. Первый максимум (n = 154) соответствует конгломерации атомов и микрокластеров, второй (n = 450–500) – конгломерации кластеров, содержащих десятки атомов. Фуллерены образуются также из изначально больших кластеров, испаренных из материала, в состав которого входит углерод. Это происходит, например, при испарении мелкодисперсной графитовой фольги или вторичной лазерной абляции того же участка поверхности графита.

Если для получения чистого С60 в макроколичествах достаточно использовать электродуговой разрядник, то получение высших фуллеренов требует сложной и дорогостоящей процедуры экстракции, основанной на жидкостной хроматографии. Этот способ позволяет не только отделить, но и накопить редко встречающиеся фуллерены С76, С84, С90 и С94. Данные процессы идут параллельно получению С60, отделение которого позволяет обогатить смесь высшими фуллеренами.

Например, при использовании угольного конденсата, полученного путем термического испарения графитового электрода под действием электрической дуги, чистый С60 выделяется при обработке смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5. Это приводит к вымыванию и последующему выделению чистого фуллерена С60. Увеличение в растворе содержания толуола до 50 % позволяет выделить чистый фуллерен С70 (рис. 26), а дальнейшее увеличение выделяет четыре желтоватые фракции. При повторном хроматографировании этих фракций на алюминиевой поверхности получаются достаточно чистые фуллерены С76, С84, С90 и С94. Обработка первой из указанных фракций, адсорбированной на алюминиевой поверхности, смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5 приводит к полному растворению молекул С70 в смеси. Оставшийся желтоватый конденсат практически полностью состоит из молекул С76, что подтверждается данными жидкостного хроматографического анализа.

Существенные достижения в технологии получения нанотрубок связаны с использованием процесса каталитического разложения углеводородов. На рис. 27 изображена простейшая схема установки для такого процесса.

Рис. 26. Получение из фуллерена С60 фуллерена Суо (более темным цветом выделен добавленный пояс шестиугольников)

В качестве катализатора используется мелкодисперсный металлический порошок, который засыпают в керамический тигель 3, расположенный в кварцевой трубке 1. Последнюю помещают в нагревательное устройство (печь) 2, позволяющее поддерживать температуру в интервале от 700 до 1000 °C. Через кварцевую трубку продувают смесь газообразного углеводорода и буферного газа 4, например атомарного азота.

Рис. 27. Схема установки для получения нанотрубок методом химического осаждения: 1 – кварцевая труба; 2 – печь; 3 – тигель с катализатором; 4 – поток буферного газа

Типичной является смесь, в которой соотношение соединения C2H2 к N2 составляет 1:10. Процесс может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. На поверхности катализатора вырастают длинные углеродные нити, многослойные нанотрубки длиной до нескольких десятков микрометров с внутренним диаметром от 10 нм и внешним диаметром 100 нм. Имеются также металлические частицы, покрытые многослойной графитовой оболочкой. В этом процессе трудно получить однородные нанотрубки, поскольку каталитический порошок – слишком неоднородная среда.

В результате многочисленных исследований был найден оптимальный вариант: подложка для выращивания нанотрубок должна быть пористой, с высокой степенью однородности пор, заполненных частицами металлического катализатора. Если размеры частиц и пор совпадают, диаметр вырастающих трубок оказывается практически таким же. Если глубина пор и их поверхностная плотность достаточны, трубки вырастают строго перпендикулярно поверхности подложки и оказываются в высокой степени однородными.

Таким образом, проблема сводится к приготовлению подложки, поверхность которой была бы пронизана многочисленными глубокими однородными порами. На их дне должен располагаться металлический катализатор – «основа» для начальной стадии роста трубки. Катализаторами обычно выступают железо, никель и кобальт.В России производством коммерческих партий наночастиц занимается ряд известных научно-исследовательских центров (табл. 7).

Таблица 7. Некоторые российские производители наноматериалов

Несмотря на очевидные успехи хроматографической технологии сепарации и очистки фуллеренов и нанотрубок, проблема получения высших фуллеренов в количествах, достаточных для полного и всестороннего исследования их свойств в конденсированном состоянии, еще далека от решения. Производительность лучших хроматографических установок не превышает нескольких миллиграммов в час, а этого явно недостаточно для обеспечения исследований (тем более для промышленного использования). Стоимость высших фуллеренов на мировом рынке составляет тысячи долларов за грамм, что делает их труднодоступными для многих научных лабораторий.

Создание дендримеров – один из примеров технологии «снизу вверх», когда объемные конструкции создаются из блоков посредством последовательной сборки, аналогично детскому конструктору. При этом размер и форму конечной конструкции можно очень точно задать при химическом синтезе. Дендримеры получают из мономеров, проводя последовательную конвергентную и дивергентную полимеризацию (в том числе методы пептидного синтеза), чем обеспечивается конфигурация ветвления.

Классическим строительным материалом для синтеза (создания) дендримеров являются полиамидоамин и лизиновая аминокислота. При этом имеется практическая возможность для задания и контроля размера и свойств поверхности. Регулирование и получаемая стабильность свойств дендримеров открывают перспективы их использования в качестве переносчиков лекарственных и косметических средств.