Углеродные наноструктуры – удивительное зарождение нанотехнологий

В 1972 г. П. Уокер, редактор книг «Химия и физика углерода», заявил, что новая глава в истории материалов не завершена: человечеству еще предстоит открыть удивительные свойства углерода ― «старого, но в то же время нового материала». Это высказывание оказалось пророческим.

Абсолютно все растения и животные (в том числе человек) состоят из углерода, который является неотъемлемой частью структуры жиров, белков и углеводов. В нашей галактике углерод содержится не только в чистом виде — в форме пара, но и в соединениях с водородом и азотом, и даже в составе метеоритов. В космосе его чуть меньше, чем кислорода, водорода и гелия. А вот в земных породах углерода относительно мало — 0,15 %, которые распределяются между кристаллами лонсдейлита, алмаза и графита, а также угля и шунгита.

Кроме того, углерод объединяет в себе совершенно противоположные свойства. Он может притягиваться к магниту и отталкиваться, хорошо или плохо проводить ток, пропускать либо не пропускать тепло, проявлять признаки идеально прозрачного и абсолютно черного тела, максимально твердого и очень мягкого материала и пр.

Одна из модификаций углерода — графен, который представляет собой тонкий слой атомов, расположенных в форме шестиугольных ячеек, и является составной частью более сложного кристалла графита, — была известна химикам уже в ХIX в. Так, в 1859 г. британский ученый Бенджамин Броуди обработал графит сильными кислотами, в результате чего образовался оксид графена. Проблема была в том, что в позапрошлом веке никто еще не умел проводить детализованный анализ двумерных кристаллов. Долгое время ученые вообще сомневались, что подобные атомные конструкции могут существовать в свободном виде: даже в 1930-х советский физик Л. Ландау и его английский коллега Р. Пайерлс заявляли, будто плоские кристаллы вроде графена слишком нестабильные и хрупкие.

В 1948 г. Дж. Руесс и Ф. Фогт исследовали графен просвечивающим электронным микроскопом и увидели, что толщина этого кристалла не превышает нескольких нанометров. Впрочем, объект исследования был не чистым графеном — истинные габариты этой структуры измерила другая пара ученых, У. Хоффман и Х.-П. Бем, которые восстановили оксид графита и получили отдельные слои толщиной в атом. А в 1970 г. Дж. Грант и Блэкли впервые вырастили графеновые решетки на металлических пластинах.

Однако лишь в 2004 г. русским физикам Константину Новоселову и Андрею Гейму, работавшим тогда в Британии, удалось получить чистый графен. Для этого им понадобились кремниевая подложка, кусок графита и… скотч. Графит расплющивался прессом на подложке, а затем слой за слоем «отшелушивался» скотчем, пока на пластине не оставался всего один слой. Этот слой и был графеном. В 2010 г. Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию по физике, а в следующем году королева Елизавета пожаловала им титул рыцарей-бакалавров.

Впоследствии выяснилось, что двумерные кристаллы углерода имеют уникальные свойства и могут стать основой для материалов будущего. Во-первых, графен — суперпрочный и почти невесомый: при толщине в атом он не пропускает пули (потому подойдет для бронежилетов и обшивки космических челноков) и выдерживает вес взрослого крупного человека. Во-вторых, он является отличным проводником электричества и предупреждает ржавление железа.

С открытиями фуллерена и графена тесно связано наблюдение углеродных нанотрубок — одно- или многослойных графеновых решеток, «скрученных» валиком. Официально эти трубки обнаружил японский физик С. Иидзима в 1991 г., хотя в действительности впервые их заметили советские ученые, причем почти на полвека раньше. В 1952 г. Л. Радушкевич и В. Лукьянович с помощью электронного микроскопа сделали снимок углеродных наноструктур. Подобные снимки как простых, так и сложных трубок в 1976 г. получили японские ученые под руководством Моринобу Эндо. В конце 1970-х академики из Института катализа СССР исследовали образование углерода в железохромовых ускорителях реакций отщепления воды, как вдруг заметили «пустотелые углеродные дендриты». Понаблюдав за образованием этих структур, ученые детально описали сам процесс, а также строение трубок.

Пятью годами позже вышла статья А. Нестеренко с фотографиями многостенных кристаллических трубок, которые впервые были представлены в виде скрученной рулоном графеновой решетки. Увы, в то время разрешение микроскопов было недостаточно высоким для подробного изучения наноструктур, поэтому «первооткрыватели» не смогли по достоинству оценить их свойства.

Сделать это удалось именно Иидзиме, который догадался, что нанотрубки можно создавать самостоятельно, воздействуя электрическим разрядом на распыленный графит. Измерив полученный образец, ученый выяснил, что диаметр трубки составляет несколько нанометров, а длина — в тысячу раз больше. По структуре трубка может быть как одностенной, простой, так и составной, устроенной по принципу матрешки, — но в любом случае каждая стенка представляет собой графитовую решетку с шестиугольными ячейками, а окончания трубок похожи на половину молекулы фуллерена.

Сейчас ученые самых разных областей — химики, медики, физики, математики, астрономы и пр. — чуть ли не соревнуются, исследуя свойства фуллерена и пытаясь на их основе создавать новые углеродные материалы. Недаром японский ученый Э. Осава сказал, что если бы не был открыт фуллерен и нанотрубки, то еще несколько десятилетий никто бы ничего не знал о нанотехнологиях.

Как ни странно, ученые и поныне спорят, каким способом синтезируются углеродные наноструктуры, и предлагают свои модели этого процесса. Тем не менее новые суперпрочные материалы уже активно используются в разных отраслях промышленности. Например, из углеродных наноструктур изготовляются гибкие электроприборы и разнообразные транзисторы, фотодетекторы, оптические модуляторы и поляризаторы света, лазеры и генераторы терагерцевых излучений, приложения для хранения и генерации энергии. А еще — краски, покрытия, высокопрочные композитные материалы вроде углепластика и многое другое.