Углеродные нанотрубки: от миллиграммов – к килограммам

18.04.07

Минуло чуть больше года, как в Институте неорганической химии СО РАН создана лаборатория физико-химии наноматериалов, призванная решать актуальные задачи этой бурно развивающейся отрасли. Заведующий лабораторией физико-химии наноматериалов доктор химических наук Александр ОКОТРУБ и ведущий научный сотрудник доктор химических наук Любовь БУЛУШЕВА прежде, чем перейти к делам своей молодой лаборатории, рассказали об истории зарождения столь популярной сегодня темы, о возникающих в связи с этим проблемах, поисках их решения в научном мире и достигнутых успехах. 

А.О.: Где-то в начале 1990-х научный мир был очарован фуллеренами. Красивейшая молекула, состоящая из 60 атомов углерода, собранных в симметричный каркас, просто не могла не обладать удивительными свойствами, сулящими захватывающие перспективы. Открыли и идентифицировали ее, используя метод масс-спектрометрии, а спустя пять лет был найден способ производства фуллеренов в граммовых количествах. Естественно, для ученых — благодатное поле деятельности. Всем захотелось внести свой вклад в эту новую область науки и получить интересный результат.  

Л.Б.: В лаборатории физико-химических методов, возглавляемой Л. Мазаловым, в которой мы начинали свою деятельность, в те годы был разработан оригинальный рентгеновский спектрометр, позволяющий исследовать электронную структуру различных веществ. К нам обращались коллеги со всей страны и даже из-за рубежа.

А.О.: Мы изучали электронное строение материалов, молекул. В содружестве с коллегами из Института кристаллографии РАН удалось создать кристаллы, с помощью которых получали очень хорошее разрешение спектров углерода. Кстати, других таких кристаллов до сих пор нет. В общем, лаборатория владела уникальным по тем временам методом и была заинтересована в расширении объектов исследования. Я в те годы занимался органическими молекулами, фторидами графита, ультрадисперсными алмазами. Естественно, что возник интерес и к исследованию фуллерена, представляющего собой новый класс углеродных соединений.

Л.Б.: В лаборатории работали экспериментаторы и теоретики, которые удачно друг друга дополняли. Я, как теоретик, вела расчеты спектров, что позволяло более детально разобраться с результатами эксперимента.

А.О.: Углеродные наноструктуры стали присутствовать в тематике постоянно. Начались поездки на конференции. Оказалось, огромное сообщество ученых интересуется наноуглеродом. Появились международные проекты — ИНТАС и другие. Более того, была попытка в 6-й Рамочной программе ЕС создать проект, объединив специалистов со всей Европы, занимающихся нанотрубками. Но — увы… Европейские эксперты не поверили, что можно наладить менеджмент сложной системы.

— Александр Владимирович, примерно в это же время или чуть раньше научные умы будоражила идея создания сверхпроводников. Как сосуществовали рядом два столь громких направления?

А.О.: Синтез сверхпроводящих систем — бум величайший! Углеродным структурам в этом плане повезло меньше, по-крайней мере, в нашей стране. Хотя появилась программа Миннауки «Фуллерены и атомные кластеры». И интерес к ней был достаточно высок, разве что средств выделялось не столь ощутимо. Мы в программе участвовали. Идей было много, одна из них — получение сверхпроводника на основе углеродных систем. Научные исследования в этом направлении до сих пор продолжаются. Потом было обнаружено, что углеродные структуры имеют интересные магнитные свойства. На основе фуллеренов создавались новые структуры — полимеризованный фуллерен, сверхтвердый, магнитный!

— А как на достижения коллег реагировали в Институте неорганической химии?

А.О.: По сути, мы находились в положении повторяющих, догоняющих, ибо в тяжелейшие для нашей науки дни упустили драгоценное время. Но то, что делали — делали неплохо. Научились синтезировать фуллерены, тут же их исследовали, характеризовали. Появились наши публикации за рубежом. В общем, мировое сообщество нас как бы признало. Но нам-то хотелось большего! У нас химический институт, а на первом этапе развития науки о наноуглероде этой проблемой занимались в основном физики. Поэтому некоторые наши работы о химической модификации углеродных наноструктур оказались вполне востребованными.

Л.Б.: Наш вклад в развитие данного направления был не очень весом, как впрочем, и всей российской науки. Но это был необходимый этап, иначе мы бы не смогли подняться на следующую ступень. Параллельно именно в те годы начались работы с углеродными нанотрубками — системами, получаемыми в тех же методах, что и фуллерены: химические подходы здесь весьма схожи.

А.О.: Замечу: нанотрубки — объект весьма загадочный. Синтезированные разными способами, в том числе каталитическими или высокотемпературным дуговым, нанотрубки очень сильно разнятся с точки зрения дефектности структуры. Сегодня все это понятно, но ведь надо было путем экспериментов и расчетов прийти к данным выводам: в результате нарушения «однородности» структуры появляются оборванные связи, локализованные электроны, дополнительная электронная плотность, что может значительно повлиять на свойства материала.

Итак, мы сосредоточили внимание на углеродных нанотрубках, которые сулили еще более интересные перспективы в исследовании, чем фуллерены. Причем, использовали многие из воззрений, опробованных на фуллеренах, которые являются их ближайшими родственниками.

— Александр Владимирович, еще несколько слов о фуллеренах. Столько говорилось о красивой молекуле, а надежды, можно считать, не оправдались?

А.О.: Дороги они чрезвычайно! На одной из конференций как-то подчеркивалось, что пока не будет найдено дешевых методов синтеза, о практическом их применении в больших масштабах не может быть и речи. Метод, используемый в настоящее время, является невероятно энергоемким, кроме того, выделение фуллеренов из продуктов синтеза также требует больших усилий.

— В принципе, где предполагается использовать фуллерены?

Л.Б.: В настоящее время основное применение фуллеренов находится в области, для которой цена не имеет существенного значения, — в медицине. Например, самое простое — соединения фуллеренов или нанотрубок могли бы являться своеобразным контейнером.

А.О.: Считается, что фуллерены могут оказывать противовирусное действие. Эндоэдральные соединения фуллерена, внутри которых находится металл, реагируют на воздействие магнитного поля. Таким образом, возникает возможность управлять этой системой, в частности, направляя ее в заданные области человеческого организма. В России уже есть компания, которая производит фуллерены в целях медицины. Правда, в некоторых случаях, например, когда говорят о «фуллереновых пирамидах», — это шаманство.

— Главное назначение углеродных нанотрубок?

А.О.: Одно из наиболее реалистичных применений — использование углеродных нанотрубок в наноэлектронике. Тоненькая углеродная проволочка может пропускать очень большие токи. Ведь графит, как известно, в отличие от многих других соединений, держит температуру до трех тысяч градусов, не разрушаясь. От разогрева графит становится только прочнее, многие свойства его улучшаются. Уже изобретена лампочка с использованием нанотрубки, которая может гореть чуть ли не вечно. В последние годы появился новый углеродный материал — графен, слой графита атомной толщины. Изменение формы и границы графена приводит к удивительному изменению его свойств. В электронике этот материал может заменить кремний. 
Другое применение материалов на основе углеродных нанотрубок — тоже медицина. Привлекает то, что углеродные структуры являются биосовместимыми.

Л.Б.: В познании свойств углеродных нанотрубок мы вместе с мировым сообществом прошли несколько этапов. Исследовали многослойные трубки, в которых цилиндрические графитовые слои вложены друг в друга наподобие русской матрешки. Казалось, что только многослойные структуры и могут быть получены в синтезе.

А.О.: Однако, через два года после начала исследований в области углеродных нанотрубок научились синтезировать однослойные структуры. И это представлялось совершенной фантастикой — не должны они образовываться, и все тут! Тем не менее, оказалось, что все возможно. Надо только добавить катализатор. Стали заниматься выделением трубок, научились методам очистки и тому, как укладывать их на золотые электроды, измерять проводимость. В ряде случаев получились связки из углеродных нанотрубок, представляющие собой кристалл. Оказалось, процесс самосборки осуществляется уже в ходе синтеза.

Л.Б.: Но тут же обнаружились и проблемы: углеродные нанотрубки, составляющие кристалл, частично полупроводниковые, частично — металлические. Для применений в электронике следовало убрать металлические структуры. Нашли способы — выжигание, химическая модификация, разделение.

А.О.: А еще предстояло неупорядоченную структуру из углеродных нанотрубок превратить в ориентированную. И это научились делать. А текстурированный образец из ориентированных углеродных нанотрубок уже является элементом новых электронных устройств. Два года как существует методика синтеза массивов ориентированных однослойных нанотрубок.

— А как продвинулась в этом направлении ваша молодая лаборатория?

А.О.: Образно говоря, мы осваиваем отдельные стадии сложного процесса, но пока нет реальной возможности осуществить весь, свести воедино элементы технологии. Главное для нас сейчас — создать базу исследований. Пока ее не будет, не выйти на передовые позиции. При этом понятно, что невозможно в рамках одной лаборатории делать все. Поэтому в Сибирском отделении у нас имеется хорошая кооперация с Институтом катализа, Институтом автоматики и электрометрии, Институтом физики, Институтом физики полупроводников и другими. Исследования идут довольно широким фронтом, и мы надеемся на удачу.

— Цель видится вполне конкретная?

А.О.: Профессиональное решение научных задач. Лаборатория наша комплексная, реализуем сразу несколько методик. Мы уже говорили, что можем синтезировать нанотрубки с низкой концентрацией дефектов, получать фуллерены. Есть в лаборатории две установки для роста углеродных нанотрубок из газовой фазы с использованием катализаторов. Сейчас важно разработать полупромышленную установку, которая бы позволяла нам синтезировать в неделю килограммы! В настоящий момент за синтез мы имеем где-то миллиграммов двадцать, килограмм еле-еле нарабатываем за месяц. А заявки есть. Недавно был представитель японской фирмы, который хотел бы купить один килограмм углеродных нанотрубок. То есть очень важно для нас перейти на полупромышленное производство. После того, как мы синтезируем трубки, во многих случаях их требуется очистить от побочных продуктов. Это довольно сложная задача.

Продолжаем развивать методы характеризации — рентгеновскую спектроскопию, компьютерное моделирование. Моделирование, как известно, необходимо не только для того, чтобы объяснить эксперименты, но и чтобы предсказывать свойства. А за этим стоит полевая эмиссия, создание определенных устройств: плоские лампы, дисплеи, миниатюрные рентгеновские трубки, которые можно использовать для нужд томографической медицины.

Л.Б.: Но для того, чтобы создать такую рентгеновскую трубку, нужно прежде собрать определенную конструкцию. Для этого необходима кооперация не только со специалистами нужного профиля, но и с производственными предприятиями.

А.О.: Идей — множество. И огромное желание работать. Коллектив наш в основном молодежный. В этом году у нас должны пройти через разные виды защиты дипломов девять человек. Все мы варимся в котле общего интереса к наноструктурам и верим в будущее.

Л. Юдина

Источник: «Наука в Сибири»