Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают уникальными механическими, электронными, оптическими и термическими свойствами, что позволяет использовать их в различных областях нанотехнологий. Сложность получения упорядоченных структур с контролируемой геометрией является основным препятствием для функционального применения материалов на их основе. В настоящее время удалось получить УНТ, упорядоченные в форме колец и петель. Однако во всех случаях морфология структур определялась исключительно ориентацией подложки и не зависела от внешних сил, таких как электрическое поле и скорость газового потока. Это существенно ограничивало возможности применения данных методов.
Израильскими учеными предложен способ решения этой проблемы. Было замечено, что при росте одностенных углеродных нанотрубок на ориентированной кварцевой подложке происходит образование упорядоченных структур в форме серпантинов (рис. 1). Отправной точкой процесса является аморфный SiO2, предварительно нанесенный на подложку. На начальной стадии рост происходит в направлении газового потока. Далее следует разориентированный участок серпантина, который постепенно становится более упорядоченным и регулярным (рис. 2). Ширина, плотность и периодичность структуры варьируется в широких пределах (ширина W = 10 – 300 мкм, длина L = 100 – 1000 мкм). Диаметр U-образной петли между прямыми сегментами составляет 0,5 – 8 мкм. Существенное влияние на морфологию структур оказывают скорость и направление газового потока (рис.3).
Исследование полученных образцов с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рамановской спектроскопии показало, что диаметр УНТ составляет от 0,8 до 4 нм. Кроме того, одностенные трубки составляют 90% от общего их числа. Сопротивление полученных структур, определенное с помощью электронной силовой микроскопии, составило 2 МОм для десятимикронного сегмента. В работе также предложен механизм образования подобных структур (рис. 4). На первой стадии углеродная трубка растет перпендикулярно поверхности. Далее происходит адсорбция УНТ поверхностью в соответствии с ориентацией подложки.
С практической точки зрения, полученная геометрия применяется во многих современных устройствах, таких как антенны, радиаторы, коллекторы, нагревательные и охлаждающие элементы, а также в освещении и ирригации. Авторы полагают, что антенны на основе полученных массивов УНТ смогут принимать и передавать электромагнитное излучение в диапазоне порядка 1000 ГГц. Возможно также применение синтезированных структур для создания охлаждающих контуров и чувствительных детекторов в инфракрасной области. Кроме того, петли из УНТ могут служить основой для мономолекулярных блоков питания.
