Новости: Технологии

Спиралеобразно закрученные углеродные нанотрубки и наностержни (СУН) являются принципиально новым наноматериалом, обладающим рядом интересных особенностей. Потенциально СУН могут быть использованы при создании тактильных и магнитных сенсоров нового поколения, а также конструкционного пенопласта, предназначенного для амортизации и диссипации энергии.

Синтез СУН CVD-методом до настоящего времени осуществлялся исключительно с использованием темплатов соответствующей формы, причем преимущественно наблюдались наностержни. Очевидно, такой метод синтеза сильно ограничивает объем материала за счет распределения катализатора. Кроме того, он зачастую приводит к образованию линейных многостенных нанотрубок вместо спиралевидных структур. Необходимо было найти не зависящий от исходных реагентов путь синтеза, протекающий исключительно в газовой фазе, а также позволяющий контролировать длину и шаг спирали.

Группа ученых во главе с Вей Вонг (Wei Wang) предложили подобный метод синтеза, основанный на предположении о том, что образование спиралевидных структур связано со специфическим взаимодействием растущей структуры с частицами катализатора. По мнению исследователей, решающим критерием, определяющим характеристики получаемого материала, является смачиваемость углеродной поверхности жидким металлом-катализатором. Согласно уравнению Юнга, некоторые металлы, например In и Sn, обладают большим, близким к 180˚, углом смачивания, в то время как другие, такие как железо, имеют θ<75˚. Как следствие, индиевые и оловянные катализаторы за счет взаимного отталкивания заставляют структуру изгибаться, а железо, напротив, способствует линейному росту.

При синтезе СУН ферроцен и изопропоксид второго металла-катализатора растворялись в ксилоле. Смесь впрыскивалась с постоянной скоростью в CVD-реактор, одновременно через камеру пропускалась смесь ацетилена и аргона при атмосферном давлении. Внутри реактора располагались кварцевые субстраты, на которых через час образовывались массивы СУН.

Оказалось, что при использовании In синтезировались нанотрубки, а Sn – наностержни. Это можно объяснить различными смешиваемостями индия и олова с железом. Нанотрубки образовывались в виде упорядоченных массивов с примерно одинаковыми радиусами и другими параметрами трубок, в то время как наностержни с большим разбросом радиусов и длин оказывались беспорядочно разбросанными по субстрату.

Кроме того, на характеристики получаемого материала влияют такие параметры, как температура в реакторе и соотношение In(Sn)/Fe: более высокие температуры, а также близкое к единице значение соотношения In/Fe, способствуют образованию нанотрубок.

Работа "Rational Synthesis of Helically Coiled Carbon Nanowires and Nanotubes through the Use of Tin and Indium Catalysts" опубликована в журнале Advanced Materials (doi: 10.1002/adma.200701143).