Рисунок 4 - Схема установки для получения нанотрубок методом химического осаждения.

1. Пиролитический метод синтеза

Пиролиз – термическое разложение органических и многих неорганических соединений, т.е. разложение любых соединений на составляющие менее тяжёлые молекулы, или элементы под действием повышения температуры.

Пиролиз смеси B₂H₆, CH₄, H₂ и N₂ в установке с горячей нитью со смешанным потенциалом на подложке позволяет получать одностенные нанотрубки из B-C-N различного состава, или же такие вещества можно получить с помощью пиролиза смеси CH₃CN и BCl₃. Взаимодействие смеси B₂H₆, CH₄, H₂ и N₂ на никелевой подложке при активировании горячей нитью ведет к выделению нановолокон B-C-N, имеющих кактусоподобное строение со множеством нерегулярных перегородок во внутренней полости и «колючками» на внешней поверхности. Состав таких нановолокон регулируетя изменением доли B₂H₆ в смеси.

1. Реакции замещения

Синтез, основанный на реакциях замещения, является простым и эффективным, но требует наличия углеродных нанотрубок в качестве исходного материала.

Реакции проводятся в токе азота при высоких температурах: 1523-1803 К. В процессе повышения температуры исходные углеродные НТ разрушаются, при этом основной фракцией становится смесь гексогонального, ромбоэдрического и турбостатного нитридов бора с незначительными добавками BN-структур: наноконусов, нанокластеров и нановлокон. Интересно, что этот метод был использован также для получения "нанокабелей" с оболочкой из BN, заполненной сплавом Ni-Fe.

1. Дихалькогенидные нанотрубки

В основном они синтезируются химическими методами. К настоящему времени получены нанотрубчатые структуры MoS₂ и WS₂. Впервые они были получены при термообработке пленок вольфрама или молибдена, нанечённых на кварцевую подложку на токе H₂S/H₂. Также известны способы получения MoS₂ и WS₂ в результате газофазной реакции, а также методом лазерной абляции мишеней.

1. Оксидные нанотрубки

Совсем недавно синтезированы нанотубулены оксидов переходных металлов, получение многослойных VOx тубуленов химическими методами, в частности золь-гель методом.

1. NiCl₂ нанотрубки

Синтез NiCl2 - нанотубуленов с нетривиальными магнитными свойствами (дихлорид никеля имеет слоистую структуру, особенностью которой является ферро- и антиферромагнитный типы спинового упорядочения внутри и между слоями соответственно). Синтезированные многослойные нанотрубки оставались устойчивыми в течение нескольких дней.

2 Свойства

Свойства нанотрубок сильно меняются в зависимости от их формы и кривизны, способа допирования и выбора внедряемого элемента. Отсюда и возникает теоретический и практический интерес к этим структурам. За истекший период нанотрубки (или тубулены) из экзотических- объектов уникальных экспериментов и теоретических расчетов превратились в предмет крупномасштабных физико-химических исследований, их необычные свойства стали основой многих смелых технологических решений.

Сведения о физико-химических свойствах не-УНТ пока далеки от исчерпывающих, поэтому рассмотрим некоторые свойства отдельных групп нанотрубок.

Нанотрубки BN устойчивы к окислению до высоких температур и имеют очень большой модуль Юнга (измеренная величина составляет около 1,2 ТПа). Внутренняя полость BN нанотрубок может быть заполнена другими веществами: Fe, Y, карбидами, нитридами, оксидами или галогенилами. Перед заполнением BN нанотрубки раскрывают с помощью окисления.

Исследования с помощью туннельной спектроскопии показали, что величина запрещённой зоны BN-НТ составляет 4.5-4.9 эВ. Благодаря этим свойствам BN-нанотрубки могут быть использованы в качестве защиты для проводящих наноструктур.

MoS₂ и WS₂ обладают полупроводниковыми свойствами и химически малоактивны. Внутренние стенки имеют структуру, близкую к идеальной, поэтому проводимость увеличивается.

Неуглеродные нанотрубки MgO+SiO, TiO₂ могут использоваться в качестве мембран для разделения жидкостей и в качестве синтеза углеводородов. Есть возможность внедрения молекул C₆₀ во внутреннюю полость BN нанотрубок и образования новой формы наностручков, имеющих полупроводниковые свойства. Эффекты заполнения нанотруб различными веществами стали предметом особого интереса при изучении капиллярных свойств тубуленов. Эти и другие результаты привели к формированию нового направления в материаловедении нанотубулярных форм вещества, связанного со способами получения, свойствами и разработкой вопросов прикладного использования нанотубулярных композиционных материалов. В настоящее время с созданием композитных структур на основе нанотубуленов связано много ожиданий в решении технологических проблем в различных областях. Так, предполагается использовать нанотрубки для инкапсулирования радиоактивных отходов, в качестве резервуаров для хранения газообразного водорода, при изготовлении элементов электронных схем наноразмеров.

3 Применение

Неуглеродные нанотрубки в зависимости от их морфологии, удельной поверхности и особенностей кристаллического и электронного строения материала могут использоваться в катализе, в качестве чувствительных элементов сенсорных устройств и в качестве электродных материалов новых химических источников тока.

Неуглеродные нанотрубки могут быть использованы для изготовления на их основе устройств нанометровых размеров.

Нанотрубки представляют собой новые квазиодномерные нанообъекты, которые могут найти широчайшее применение во многих областях (наноэлектронике, медицине, мембранной технологии и т.д.).

Нанотрубки являются сегодня материалом широкого практического применения, коммерческим продуктом и предметом маркетинговых исследований.

Оксид ванадия, оксид магния, оксид титана, диоксид кремния, а также соединения чистой меди и висмута – эти соединения могут использоваться в качестве электропроводящего материала, и электролитами для сухих катализаторов и окислительно-восстановительных реакций.

Неорганические нанотрубки, как правило, имеют более высокую плотность углерода и более низкую прочность на разрыв, но более высокую степень сжатия, таким образом, потенциально могут быть использованы в производстве материалов с высокой устойчивостью к проколу и разрыву, например для производства бронежилетов.

Наноструктура – это структура материала, состоящая из элементов, размер которых имеет предел от нескольких единиц, до нескольких сотен нм. Термин "наноструктуры" появился с изобретением инструментов, доступных для их исследования и разработки технологий для их производства. В основном это касается электронных структур. Материалы производятся в лаборатории с 80 – х годов двадцатого века, среди которых отличаются структуры: плоские, линейные, и точки.

Не-УНТ – отдельный класс материалов, изменение спектра свойств которых возможно с использованием традиционных методов: легирования, сочетания слоев, модификации ионными пучками и т.д.
Их применение перспективно для оптики и электроники, гибридных систем на чипе, катализа, снижения трения и износа, создания устройств для МЭМС и НЭМС.
Разработанные трубчатые наноструктуры обладают приемлемой адгезией к используемым в электронике материалам и с применением существующих технологических методов могут быть встроены в структуру изделий. Возможно получение микро- и нанотрубок заданного диаметра и длины, в том числе имеющих дискретный спектр электронов и обладающих параметрами квантовых точек. Изучение ННТ позволит также лучше понять природу того, как материал образует стабильные формы на атомном уровне.

Заключение

На современном этапе основные экспериментальные исследования неуглеродных нанотрубок сосредоточены на методах синтеза. Физико-химические и функциональные свойства еще слабо изучены. Многие предложения по практическому применению основаны на результатах моделирования.

Несмотря на многочисленные исследования в этой области, вопрос о массовом производстве таких устройств остается открытым, что связано с невозможностью точного контроля получения не-УНТ с заданными параметрами и свойствами. Однако в ближайшем будущем следует ожидать бурного развития в этой области из-за возможности производства микропроцессоров и чипов на основе нанотранзисторов и, как следствие, инвестирования в эту область корпорациями, специализирующимся на компьютерной технике.

Список литературы

1. А. Л. Ивановский, “Неуглеродные нанотрубки: синтез и моделирование”, Усп. хим., 71:3 (2002), 203–224

2. С. В. Лисенков, Г. А. Виноградов, Н. Г.Лебедев, «Новый класс неуглеродных нанотрубок на основе элементов Al и P: структура и электронные свойства»

3. И.Кулеманов, Н.Герасименко, «Наноиндустрия. Выпуск #5/2008»

4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/nanotechnology/122/%D0%BD%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5

5. http://perst.issp.ras.ru/Control/Inform/perst/2002/2_12/perst.htm

6. http://referat7.ru/nanotexnologii/section-8.html

7. http://wsyachina.narod.ru/physics/nanotubes_2.html

8. http://www.zaosi.com/content/342-%D0%9D%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5-%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D1%80%D1%83%D0%B1%D0%BA%D0%B8