Японские исследователи рассмотрели довольно интересный вопрос – можно ли соединять углеродные нанотрубки в структуры, подобные водопроводу. Такая возможность позволила бы, например, создавать сложные электронные устройства на основе нанотрубок.
Было предложено соединять нанотрубки при помощи джоулева тепла, т.е. при пропускании электрического тока через контакт между нанотрубками. Подобная методика могла бы оказаться очень удобной. Ученые изучили три возможные геометрии сочленений (рис. 1) – соединение «торец-торец» для трубок с близкими (a) и сильно различающимися диаметрами (b), а также соединение «торец-стенка» (с).
Оказалось, что в первом случае соединение всегда происходит успешно. Трубки одинакового диаметра были получены из одной посредством приложения к ее концам большого напряжения (рис. 2). Потом оба куска можно «сплавить» вместе при пропускании тока через контакт и получить нанотрубку, аналогичную исходной. Процедуру можно повторять несколько раз, причем пороговые значения напряжений и силы тока очень хорошо воспроизводятся.
Соединение трубок различного диаметра оказалось не столь удачным. При пропускании тока толстая трубка деформируется, но объединения не происходит. При слишком больших напряжениях длина трубок начинает сокращаться вследствие испарения углерода. Также не увенчались особым успехом попытки осуществить соединение «торец-стенка».
Ученые связывают неудачи с тем, что при значительном различии диаметров трубок для образования соединения необходима существенная перестройка углеродных связей, в частности, образование большого числа углеродных пятиугольников, а энергии для этого требуется больше, чем для испарения. Для преодоления этой неприятности исследователи попробовали использовать наночастицы вольфрама в качестве катализатора.
Соединение трубок различного диаметра было проведено следующим образом. Малая трубка (диаметр 2 нм) с частицей вольфрама внутри была приведена в контакт с большой (3.2 нм). Оказалось, что при пропускании тока частица может двигаться внутри нанотрубки в направлении, зависящем от направления тока. В месте контакта частица способствует образованию общего графитного слоя. После выдерживания трубок под высоким напряжением и перемещения наночастицы вольфрама туда-сюда формируется очень качественное сочленение. Необходимые температуры существенно ниже, чем без использования наночастицы.
Ученые утверждают, что в течение всей процедуры частица вольфрама остается в твердом состоянии, а атомы углерода могут в ней растворяться, формируя карбид, и диффундировать в нужном направлении. Такой процесс аналогичен росту углеродных нанотрубок с использованием вольфрамового катализатора.
Работа
«Plumbing carbon nanotubes» была опубликована в журнале
Nature.
