В природе существует особая структурная модификация углерода, при которой графеновая плоскость (слой углерода толщиной в один атом) оказывается свернута в трубку.
Такие углеродные трубки, диаметром до нескольких нанометров, могут достигать нескольких сантиметров в длину. Можно соединять друг с другом отдельные трубки и получать из них еще более протяженные структуры.
На сегодняшний день существуют сотни методик синтеза углеродных нанотрубок, позволяющие получать структуры различной длины, диаметра, толщины стенок, дефектности и т. п.
Углеродные нанотрубки бывают одностенными и многостенными. Они находят применение в различных областях. Одностенные, например, при их добавлении в свинцово-кислотный аккумулятор, позволяют увеличить число циклов заряда-разряда такого аккумулятора.
Многостенные, представляющие собой коаксиальную структуру, в которой трубка меньшего диаметра вложена в трубку большего диаметра, также применимы.
Например, будучи представлены разориентированным массивом, многостенные углеродные нанотрубки проявляют мемристорный эффект: возможно резистивное переключение, обусловленное формированием проводящих каналов из углеродных нанотрубок, ориентированных электрическим полем.
Далее мы рассмотрим электрические свойства структур углеродных нанотрубок, которые были открыты в результате фундаментальных исследований.
Термоэлектричество
Отдельные углеродные нанотрубки мало пригодны для получения термоэлектричества. Однако будучи скомпонованы в уплотненные структуры типа матов размером 2х1х0,1 мм — кое-что могут.
Так, многослойные углеродные нанотрубки, полученные с применением материалов — катализаторов, в эксперименте (Воронеж, ВГТУ) продемонстрировали термо-ЭДС в диапазоне от 40 до 60 мкВ/К в области температур от 50 до 300 К. Результат как минимум в 7 раз превосходит по данному параметру монокристаллический графит.
Сверхпроводимость
Принципиально, тонкие одномерные материалы при температуре вблизи абсолютного нуля препятствуют прохождению куперовских пар, отвечающих за сверхпроводимость.
Но ученые (Екатеринбург, УРФУ, Чи Хо Вонг) решили немного изменить структуру проводника: они добавили внутрь нанотрубки зигзагообразную цепочку из атомов углерода, которая не имеет связей с атомами трубки, тем не менее влияет на форму трубки, на ее изгибы.
Углы между связями в цепочке можно математически рассчитывать и изменять. В результате ученым удалось добиться перехода углеродной нанотрубки в сверхпроводящее состояние при температуре выше абсолютного нуля на 45 градусов!
Электролюминесценция
Гибридные материалы из углеродных нанотрубок с наночастицами взяты учеными на вооружение для получения более эффективных источников света (Новосибирск, ИНХ СО РАН).
Суть в том, что на конце углеродной нанотрубки при напряженности электрического поля всего в 1 В/мкм уже наступает электронная эмиссия.
Так можно создавать эффективные низковольтные полевые катоды световых панелей: взять проводящую кремниевую подложку и разместить на ней массив углеродных нанотрубок с квантовыми точками (например на основе халькогенидов кадмия) выращенными на их концах.
Варьируя температуру при выращивании, ученым удалось получить на концах углеродных трубок наночастицы различного размера, с большими или меньшими дефектами, что в итоге привело к различным цветам свечения (зеленый, красный, оранжевый, синий).
Фотопроводимость
Фотопроводимость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении им электромагнитного излучения.
Ученым (Минск, НИИ ЯП БГУ) удалось продемонстрировать, что фотопроводимость в терагерцовом диапазоне пленки из одностенных углеродных нанотрубок обусловлена действием двух факторов:
1) изменением времени релаксации электронов вследствие электрон-фононного взаимодействия,
2) наличием в трубке локализованного плазменного резонанса.
Знак фотопроводимости в данном случае зависит от длины трубки, а не от ее хиральности: знак плюс — для трубок длиной менее 1 мкм и знак минус — для длинных трубок — более 10 мкм.
Подробно про графит и графен:
Графит и его применение в электротехнике
Чем отличается графен от графита
Другие интересные открытия и изобретения:
Электроактивные полимеры и перспективы их использования
Электрические свойства структур углеродных нанотрубок на английском языке