Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Структура

Вектор Ch называют хиральным, он задает диаметр трубки, а

перпендикулярный ему вектор T - трансляционным, он определяет длину трубки. Набор чисел (n, m) и есть характеристика нанотрубки. Для классификации используют угол θ (хиральный угол) между векторами a1 и Ch. Из-за

симметрии 6-го порядка θ находится в пределах от 0 до 30°. В нанотрубках типа кресло θ = 30°, m = n. Эти трубки относятся к семейству (n, n). Их поперечное сечение содержит n шестиугольников, соединенных C–C связями. Для зигзагообразных нанотрубок θ = 0° и индексы (n, 0). В поперечном сечении находятся n шестиугольников, имеющих общие ребра. Эти два типа трубок имеют максимально возможную симметрию, они называются ахиральными. Остальные трубки менее симметричны, их называют хиральными, т.к. они не совпадают со своим зеркальным отражением.

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Структура

Вектор симметрии R нанотрубки задается как отношение векторов τ и Ψ, где τ единичный вектор трансляции, а Ψ единичный вектор, определяющий угол поворота.

Соотношение между индексами n и m, с одной стороны, и диаметром (d) одностенной углеродной нанотрубки, с другой стороны, задается выражением

d = (a/ )(n2 + m2 + nm)1/2,

где a = 0,246 нм – параметр решетки графена.

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Свойства

Изображения, полученные с помощью СТМ для металической, одностенной нанотрубки (а) и для полупроводниовой одностенной нанотрубки (с)

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Структура

Поверхность идеальных одностенных нанотрубок содержит только правильные шестиугольники из атомов углерода. Такие нанотрубки представляют собой цилиндры, открытые с обоих концов. Их можно замкнуть с одной или двух сторон полусферами фуллеренового типа или другой поверхностью, но такие трубки уже не будут идеальными - кроме правильных шестиугольников их поверхность будет содержать пятиугольники или треугольники.

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Дефекты структуры

Синтезированные углеродные нанотрубки (как одностенные, так многостенные) могут значительно отличаться от идеальной структуры. В стенках нанотрубок могут находится примеси и структурные дефекты. Под примесями понимают аморфный углерод, фуллерены и остатки прекурсора (графит при получении в электрической дуге или частички металла, выступающего в роли катализатора при CVD). Атомные вакансии и атомы в междоузлиях представляют собой структурные дефекты. Возможны дефекты, вызванные атомами замещения и поверхностными атомами или функциональными группами, а также дефекты Стоуна-Уэльса (замена пары шестиугольников парой пятиугольник-семиугольник).

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Дефекты структуры

Кресельная нанотрубка переходит в зигзагообразную с образованием пятиугольника и семиугольника на перегибе.

Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes)

Свойства

Нанотрубки обладают высокой удельной поверхностью (от 100 до 1000 м2/г) и они являются неплохими адсорбентами. Наличие пор внутри трубок позволяет использовать их для хранения газообразных веществ или в качестве капсул для активных молекул. Поверхность нанотрубок можно модифицировать химическими способами, что позволяет переводить их в растворимое состояние. Нанотрубки способны образовывать супрамолекулярные комплексы с биологически активными молекулами - белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами. Эти вещества могут адсорбироваться на поверхности трубок или соединяться с ними ковалентными связями, что позволяет использовать нанотрубки в системах доставки лекарств, генов и антигенов.