Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
a - Идеализированное наноструктурированное покрытие согласно теории Вепрека и др.; b - схематическое изображение строения нанокомпозитов nc-TiN/a-Si3N4/nc-TiSi2.
Кубан C8H8 : 1 – атомы углерода, 2 – атомы водорода.
Зависимость логарифма времени жизни t кубана C8H8 от обратной начальной температуры T (1 – результаты расчета, 2 – линейная аппроксимация методом наименьших квадратов, 3 – экспериментальные данные работы [2]). Стрелки означают, что при данной температуре величина ln t лежит выше или ниже приведенной точки.
а - Схема образования иммуно-ОСНТ; b,с - связывание иммуно-ОСНТ с кишечными палочками.
Иллюстрация превращения В-формы ДНК (верхняя картинка) в Z-форму (нижняя картинка).
Схема агрегации спор сибирской язвы.
Схема процедуры наноинъекции и микрофотография устройства.
"Наводороженный" графен назвали графаном [4]. Показана одна из двух возможных модификаций, в которой атомы водорода присоединены к атомам углерода поочередно то сверху, то снизу, через один.
Расположение атомов углерода в графене (слева) и в графане (справа) [6].

Перст - дайджест

Ключевые слова:  Перст

Опубликовал(а):  Чеканова Анастасия Евгеньевна

12 марта 2009

Нанокатализаторы – это не только скорость!

Катализаторами химических реакций обычно называют вещества, которые существенно ускоряют ход той или иной реакции (например, A -> B), но сами при этом не расходуются. Это, конечно, так. Но в идеале катализаторы должны не только увеличивать скорость реакции, но и проявлять селективность (избирательность) своего действия (A -> B или A -> C) или даже способствовать образованию менее выгодного с энергетической точки зрения соединения. Важным требованием к катализаторам является также их устойчивость при высокой температуре. В качестве катализаторов часто используются металлические наночастицы, обладающие большой удельной (в расчете на единицу массы) площадью поверхности. Селективность их действия определяется химическим составом и размерами наночастиц. Проблема, однако, заключается в слипании наночастиц при нагреве до температуры реакции и соответствующей потере ими своих каталитических свойств.

О новых результатах в области нанокатализа сообщается в февральском номере журнала Nature Materials [1, 2]. В работе [1] наночастицы Pt, имевшие форму тетраэдров с параллельными плоскостям (111) гранями, были использованы для стимуляции перехода молекул бутана из одного изомера в другой, менее устойчивый в газовой фазе. При повышении температуры до 575 К форма наночастиц изменялась, и они становились катализаторами обратного перехода между этими же изомерами. В работе [2] наночастицы (опять же из Pt) покрывали мезопористыми "оболочками" SiO2, которые препятствовали агломерации наночастиц вплоть до температуры 1000 К. Эти оболочки, однако, не подавляли каталитическую способность наночастиц благодаря наличию в них пор, достаточно широких для переноса реагентов к поверхности наночастицы, а продуктов реакции – от нее.

Науку о катализе часто критикуют за ее эмпирический характер. Как бы в ответ на эту критику авторы [1] выполнили численные расчеты электронной и кристаллической структуры наночастиц первопринципными методами и показали, что причиной повышенной каталитической активности исследованных ими наночастиц является реконструкция поверхности, сопровождающаяся изменением ее электронных характеристик.

  1. I.Lee et al., Nature Mater. 8, 132 (2009).
  2. G.Somorjai et al., Nature Mater. 8, 126 (2009).

Нанокомпозитные покрытия

Уменьшение среднего размера зерен до ~ 10 нм и менее приводит к существенному изменению ряда физических свойств мелкозернистых образцов: термических (понижается температура плавления), кинетических (резко возрастает коэффициент диффузии, падает теплопроводность), магнитных (повышается коэрцитивная сила), механических (увеличивается предел текучести и износостойкость, появляется эффект сверхпластичности при высокой температуре) и др. Это связано с тем, что размер зерен становится меньше соответствующей характеристической длины (толщины стенки доменов, критического радиуса дислокационной петли и т.д.). Благодаря возможности их широкого практического применения такие наноструктурированные материалы являются объектом пристального внимания как технологов, так и физиков.

В работе [1] украинские ученые из Института металлофизики (Киев) и Харьковского национального университета представили обзор современного состояния исследований структуры и свойств твердых (твердость ~ 40 ГПа) и сверхтвердых (H > 40 ГПа) нанокомпозитных покрытий (см. рис.1.). В обзоре обсуждаются физические механизмы увеличения твердости тонких (< 10 нм) покрытий, способы их изготовления, возможные применения и направления дальнейшего развития этой области нанотехнологий. Авторы замечают, что имеющиеся в литературе сообщения о твердости некоторых нанокомпозитных покрытий, превышающей твердость алмаза и нитрида бора, требуют подтверждения, поскольку могут быть следствием методических ошибок, и подчеркивают необходимость разработки новых (желательно неразрушающих) методик определения твердости. Они также предлагают комплекс экспериментов, направленных на прояснение физической картины повышения твердости нанопокрытий.

1. А.Д.Погребняк и др., УФН 179, 35 (2009).

Аномальная термическая устойчивость кубана C8H8

Сильно деформированные углеводородные молекулы (highly strained hydrocarbons) продолжают интересовать исследователей. На этот раз в центре внимания снова оказалась уникальная полиэдральная структура – кубан C8H8 (рис. 2). Остов молекулы представляет собой куб с расположенными в его вершинах атомами углерода, так что угол связи C–C–C равен 90º, в отличие от обычной для sp3-гибридизованных углеродных орбиталей величины 109.5º (как, например, у алмаза, метана CH4 или этана C2H6). Высокая энергоемкость кубана делает его перспективным материалом для топливных элементов. А возможность замены атомов водорода различными функциональными группами открывает путь к синтезу новых соединений с уникальными свойствами, которые в будущем можно будет использовать в фармацевтике, в качестве основы накопителей данных, для создания жидкокристаллических соединений и т. д. Однако широкому использованию кубана препятствует отсутствие дешевых технологий его производства в больших количествах.

Возможное решение проблемы предложено в работе [1], выполненной в МИФИ. Исследования проводились в рамках метода молекулярной динамики на основе разработанного авторами потенциала сильной связи в интервале температур от 1000 K до 2000 K. Метод сильной связи был выбран не случайно. В отличие от первопринципных подходов, он не требует значительных компьютерных затрат, поэтому, практически не потеряв в точности, авторам удалось "сэкономить" на вычислительных ресурсах, что позволило моделировать эволюцию кубана в течение длительного (по атомным меркам) периода времени, вплоть до 1 мкс. В результате "численного эксперимента" получена температурная зависимость времени жизни кубана (рис. 3). Оказалось, что при понижении температуры от 2000 K до 1000 K время жизни молекулы возрастает на шесть порядков величины, от ~1 пс до ~1 мкс. Из анализа полученных данных авторы определили величины энергии активации и частотного фактора в формуле Аррениуса, которую можно использовать в дальнейшем для оценки времени жизни кубана как при очень высоких, так и при сравнительно низких температурах. В частности, при комнатной температуре время жизни кубана может составить ~1016 с, что довольно необычно для метастабильной молекулы с сильно "напряженными" межатомными связями.

Хотя основной целью работы [1] являлось численное моделирование динамики кубана в широком температурном диапазоне, авторам также удалось детально исследовать возможные каналы и продукты его распада и проанализировать предшествующие распаду стадии эволюции. В качестве окончательных продуктов распада примерно в 80% случаев они наблюдали образование изомера C8H8 – молекулу циклооктатетраена, а в остальных 20% случаев результатом была смесь молекул бензола C6H6 и ацетилена C2H2. Данные, полученные в работе [1] согласуются с результатами экспериментов по пиролизу, приведенными ранее в работе [2]. В дальнейшем они помогут подсказать направление поиска новых способов синтеза кубана. В качестве одного из возможных вариантов рассматривается обращение хода химической реакции (например, путем нагрева в присутствии соответствующих катализаторов, понижающих барьер обратной реакции).

М.Маслов

  1. ФТТ 51, 609 (2009).
  2. J. Phys. Chem. A 107, 1162 (2003).

Углеродные нанотрубки в биологии

Углеродные нанотрубки (УНТ) - уникальные материалы для применений в биологии. Последние достижения в этой области представлены в обширном обзоре группы исследователей из Clemson University (США) под руководством Prof. Y.-P. Sun [1]. В обзоре рассматриваются вопросы химической модификации нанотрубок, специально направленной на их связывание с такими биологически активными объектами как белки, пептиды, ДНК/РНК, углеводы, сообщается об успехах в использовании УНТ для создания биосенсоров, доставки лекарств и др., а также анализируются данные по биораспределению и токсичности нанотрубок. Авторы изучили более 100 публикаций, но, к сожалению, ссылок на исследования, проведенные в России, нет. Правда, среди авторов многих интересных работ, выполненных в зарубежных научных центрах, есть российские (или бывшие российские) ученые. Заметим, что "сравнительный анализ результатов отечественных исследований с аналогичными зарубежными разработками в области нанотехнологий" [3] показывает, что по цитируемости микробиологических публикаций Россия занимает 25-е место в мире.

Отмечая значительный прогресс в развитии методов ковалентной и нековалентной функционализации, авторы обзора [1] подчеркивают, что для биоприменений УНТ и для обеспечения биосовместимости особенно важна контролируемая модификация углеродных нанотрубок белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами - основными компонентами живого организма.

Различные белки могут спонтанно адсорбироваться на поверхности нанотрубок (иногда этого необходимо избежать – например, при биораспознавании или при связывании определенных белков) или могут быть иммобилизованы контролируемым способом. Один из примеров – работа группы Y.-P. Sun. Исследователи провели ковалентную функционализацию одностенных углеродных нанотрубок (ОСНТ) бычьим сывороточным альбумином (bovine serum albumin BSA). Эти ОСНТ затем были покрыты антителами, в результате чего образовались иммуно-ОСНТ, способные распознавать патогенные кишечные палочки E. coli. (рис.4).

Расширение подхода иммуно-нанотрубок привело к созданию магнитных нанокапсул из многостенных углеродных нанотрубок (МСНТ) с Fe или оксидами Fe внутри. Эти магнитные иммуно-нанотрубки, покрытые антителами, были успешно использованы для сепарации патогенных E. coli.

Так же, как и белки, к УНТ могут присоединяться ДНК и РНК. Это может быть нековалентная адсорбция или ковалентная функционализация, в том числе в несколько этапов. "Обертывание" нанотрубок молекулами ДНК не только способствует растворимости, но и позволяет создавать ультратонкие диэлектрики для электроники, улучшать свойства полевых транзисторов. Механизм "накручивания" ДНК на нанотрубку окончательно не выяснен, хотя предлагаются разные объяснения (силы Ван-дер-Ваальса, гидрофобные взаимодействия, электронные взаимодействия между ДНК и УНТ и др.). Такие объединения (или, как их называют, конъюгаты) ДНК с нанотрубкой вызывают большой интерес у исследователей. Было показано, что ДНК, связанные с нанотрубками, долго сохраняют биологическую активность. Взаимодействие между УНТ и ДНК, как правило, стабильно, что помогло разработать метод сепарации диспергированных УНТ: нанотрубки, обернутые молекулами ДНК, были разделены на определенные фракции по длине, и была изучена зависимость клеточной токсичности от этого параметра. Подход, использующий обертывание нанотрубок молекулами ДНК, дает возможность разделять нанотрубки на металлические и полупроводниковые, выделять УНТ определенной хиральности. Авторы недавно опубликованного обзора на эту тему [4] в своих исследованиях используют метод хроматографической сепарации. В одной из работ по изучению ДНК-УНТ было обнаружено, что двухцепочечная ДНК, нековалентно связанная с ОСНТ, при добавлении двухвалентных катионов типа Hg2+ трансформируется из правозакрученной спирали (В - форма) в левозакрученную (Z-форма); это было использовано для детектирования ионов в крови, тканях и в живых клетках млекопитающих (рис.5) [5].

В целом такие конъюгаты перспективны для создания различных наноустройств, биосенсоров, доставки лекарственных средств и многого другого, т.к. могут использовать как преимущества уникальной структуры углеродных нанотрубок, так и принцип комплементарности и конформационную гибкость ДНК.

Другое интересное направление – функционализация УНТ с использованием углеводов. Такая модификация не только повышает растворимость и биосовместимость нанотрубок, но и придает уникальную биоактивность. Например, в работе, выполненной под руководством Y.-P.Sun, функционализация ОСНТ моносахаридами привела (в присутствии ионов Са2+) к агрегации и связыванию спор сибирской язвы B. anthracis (рис.6) (подробнее см. ПерсТ [6]). В других работах "сахарная" функционализация УНТ была реализована при нековалентном "обертывании" нанотрубок различными полисахаридами.

Среди биологических и биомедицинских систем и устройств на основе углеродных нанотрубок наибольший интерес вызывают биосенсоры и системы биодоставки. Разработаны и созданы электрохимические сенсоры, сенсоры на основе полевых транзисторов. Изучается возможность применения биосенсоров для детектирования белков и их взаимодействий; глюкозы; ДНК, иммобилизации и гибридизации ДНК; полиморфизма отдельных нуклеотидов, взаимодействий антитело-антиген (см. ПерсТ [7]). Однако, как отмечают авторы обзора [1], для успешного внедрения биосенсоров на основе полевых транзисторов, в которых используются полупроводниковые нанотрубки, необходимо совершенствовать сепарацию этих УНТ от металлических. Важен также вопрос локализации наноконтактов ОСНТ на биологических поверхностях.

Эффективность использования УНТ в качестве курьеров, доставляющих в живые клетки различные белки, нуклеиновые кислоты, лекарства, к настоящему времени продемонстрирована во многих исследованиях. В ПерсТе [8] было рассказано о некоторых системах доставки. Это, например, углеродная нанокапсула с лекарством внутри (концепция "магической пули") или "баркас" - функционализованная ОСНТ, которая "на буксире" переправляет присоединенные к ней более мелкие молекулы лекарства через клеточную мембрану в клетку. В обзоре [1] описана также стратегия "двойной функционализации", суть которой заключается в присоединении к стенке МСНТ и флуоресцентного зонда, и противоракового препарата. Эксперименты in vitro показали, что лекарство быстро попало внутрь клетки. Кроме маленьких молекулярных препаратов с помощью нанотрубок в клетки были успешно доставлены РНК. Возможно, УНТ представляют новый класс молекулярных носителей для генной терапии.

Проникновение нанотрубок с грузом в клетки одни исследователи объясняют с помощью эндоцитоза*, другие выдвигают гипотезу "наноиглы" (нанотрубки, проникающей через клеточную мембрану). Но есть вид доставки, не вызывающий таких споров: это "наношприц", иглой которого служит МСНТ, прикрепленная к зонду атомного силового микроскопа. Путем "инъекции" в нужные клетки были доставлены флуоресцентные квантовые точки (QDs), покрытые белком стрептовидином (5-50 QDs на нанотрубку). Схема эксперимента и внешний вид "шприца" показаны на рис. 7 [9]. Авторы использовали оригинальный и эффективный способ сброса QDs: когда МСНТ с "грузом", присоединенным с помощью дисульфидного мостика, проникает через клеточную мембрану, дисульфид восстанавливается в клеточном цитозоле, QDs освобождаются ("впрыскиваются"), и наноигла извлекается. Важным преимуществом метода является возможность многократного повторения процедуры без повреждения клетки. Метод может быть использован для доставки ДНК, РНК, полимеров, наночастиц.

Большое внимание уделяется применению ОСНТ для получения клеточных изображений. Такая возможность обусловлена не только уникальностью физических и химических свойств, но и замечательной способностью нанотрубок проникать через клеточные мембраны. Исследования в этой области можно разделить на две основные категории. К первой относятся прямые оптические изображения, возникающие на основе собственной флуоресценции (это излучение полупроводниковых ОСНТ в ближней ИК-области спектра и излучение в видимой области спектра, обусловленное дефектами пассивированной поверхности функционализованных ОСНТ и МСНТ). Вторая категория – непрямое получение изображений благодаря присоединению к УНТ флуоресцентных или радиоактивных добавок.

Излучение в ближней ИК-области спектра позволяет наблюдать за ОСНТ в организмах и биологических тканях; исследования показывают возможность использования такой флуоресценции для диагностики. Более яркая фотолюминесценция в видимой области спектра помогает в изучении внутриклеточного транспорта УНТ. Используя функционализованные УНТ – носители флуоресцентных меток, можно, как уже говорилось выше, убить сразу двух зайцев – и доставить лекарство, и получить изображение.

Радиоиндикаторный метод слежения за нанотрубками полезен для изучения как in vivo, так и in vitro. Используются различные изотопы, например, 125I, 14С. Можно непосредственно определять распределение ОСНТ, их локализацию в клеточных ядрах, изучать влияние дозы (подробнее см. ПерсТ [10]).

Один из разделов обзора посвящен актуальным проблемам биораспределения и токсичности. Во многих работах изучали in vivo распределение УНТ, метаболизм, деградацию, клиренс**, биоаккумулирование. Упомянутый выше радиоиндикаторный метод позволил обнаружить различие в биораспределении немодифицированных и функционализованных УНТ.

УНТ в основном поступают в организм через дыхательные пути, но возможно попадание в желудочно-кишечный тракт, проникновение через кожу. Первоначально сообщалось о токсичности УНТ. Потом последовали работы, результаты которых говорили об отсутствии вредного воздействия. В настоящее время, видимо, можно считать доказанным, что токсичность УНТ зависит от многих факторов, включая дозу, размеры, наличие примесей, функционализацию. Как считают авторы обзора [1], доступные результаты экспериментов на животных не подтверждают токсичности или вредного воздействия на здоровье. Однако, по их мнению, необходимы дальнейшие исследования, которые продемонстрируют не только то, что нанотрубки "могут быть использованы", но что они "однозначно применимы".

Конечно, в обзоре рассказано далеко не обо всем, но он, безусловно, дает представление о том, насколько интересны и разнообразны возможности применения углеродных нанотрубок в биологии.

___________________________

* эндоцитоз – процесс захвата клеткой твердых частиц, живых клеток, капелек жидкости, макромолекул.

** клиренс (в токсикологии, медицине) – показатель скорости очищения плазмы крови, других сред или тканей организма от какого-либо вещества в процессе его биотрансформации, перераспределения в организме и (или) выведения из организма.

О.Алексеева

  1. F.Lu et al., Adv. Mater. 21, 139 (2009).
  2. Федеральный портал "Нанотехнологии и наноматериалы" 03.02.2009 http://www.portalnano.ru
  3. X.Tu et al., Nano Res. 1, 185 (2008).
  4. D.A.Heller et al., Science 311, 508 (2006).
  5. X.Chen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 8218 (2007).

Прибавление в граф’ском семействе

Углерод – общеизвестный чемпион по богатству модификаций. Алмаз, графит, сажа (аморфный углерод) – про этот хрестоматийный набор учили еще в позапрошлом веке. Век ушедший открыл нам глаза на то, что сажа, считавшаяся невнятным аморфным состоянием, таит такие чудеса морфогенеза, как трубки и фуллерены. Последние, как оказалось, не просто одна из форм вещества, а конкретная молекула. Некоторое время прогресс в этой области укладывался в количественные рамки – С60 обрел родственников С50, С70 и других, более отдаленных, а УНТ (углеродные нанотрубки) разделились на одностенные и многостенные, открытые, закрытые, ну и т.д. Однако новый межвидовый гибрид фуллеренов и многостенных трубок (нечто вроде многослойного фуллерена) уже не удалось втиснуть в понятия количественного роста, и отпрыск назвали онион’ом (иначе говоря, луковицей). Счастье еще, что открыватели принадлежали к англосаксонской языковой культуре, а то не миновать бы нам чиполон’а !

Двадцать первый век принес новые открытия, а том числе в области имен собственных. Пять лет назад появился следующий отпрыск семейства – отдельный монослой графита, который был наречен графен’ом в честь дедушки – графита. Новорожденного почти сразу признали вундеркиндом – и то у него не как у всех, и это, и электропроводность хорошая, и теплопроводность замечательная, а удельная поверхность так просто рекордная. Естественно, новому члену семейства прочили большое будущее – как всякому вундеркинду [1].

Первенство и слава черноголовско-манчестерских первооткрывателей графена, похоже, лишили покоя всю оставшуюся часть мирового научного сообщества. И, конечно, они стали изобретать вослед, и, как теперь стало понятно, не без успеха. J.O. Sofo и коллеги, к примеру, задались вопросом, что будет, если этот плоский графитовый лист "наводородить"? Хотя бы в компьютере. И получился графан [2, 3] (рис.8).

Графен сам по себе очень интересный и перспективный материал, только электроны и дырки в нём "эффективно" - безмассовые (совсем как фотоны, ), а запрещённой зоны в нем и вовсе нет. Она, конечно, может появиться за счёт размерного квантования, если из графена сделать узкую полоску (< 100нм в ширину). Можно графен и легировать [5].

А в графане атомы водорода делают исходно плоский графитовый лист не плоским, а алмазоподобным (ибо координация у всех углеродов в новой решетке изменяется с плоской sp2 на тетраэдрическую sp3), со всеми вытекающими из этого замечательными последствиями. То есть, и с запрещённой зоной, и с эффективной массой, короче, получается настоящий полупроводник, тоньше которого просто не бывает и который при этом устойчив. Можно сказать, из компьютерной модели и расчетов из первых принципов создано отдельное произведение наноискусства – наношедевр.

И, что особенно вдохновляет, в последних числах января 2009 г. журнал Science сообщил, что этот виртуально созданный шедевр экспериментально воспроизвели и снова не без участия российских первооткрывателей графена [6]. Первоначально авторы эксперимента синтезировали графен своим излюбленным способом [1] натирания поверхности окисленной кремниевой шайбы "сильно"-ориентированным пиролитическим графитом (HOPG), отожгли его в аргоне (4 часа, 300˚С), а затем между двумя алюминиевыми электродами зажгли аргоно-водородную (Ar+10% H2, P= 0.1мбар) плазму низкого давления. Чтобы не повредить этот одно-двух-трёх (и т.д.) -слойный "отшелушенный" графит, образцы держали на расстоянии до 30 см от плазмы. По данным авторов, для полного насыщения графена водородом достаточно двухчасовой выдержки.

А дальше авторы провели на своих образцах все возможные стандартные исследования: холловский мостик, подвижность, концентрация, температура (от гелия до выше азота), магнитное поле (от 0 до 14 Тл), квантовый Холл, комбинационное рассеяние, просвечивающая электронная микроскопия. И всё для того, чтобы доказать, что им удалось синтезировать материал, действительный аналог виртуального графана (рис. 9). Чем в очередной раз и обессмертили свои имена. Пока на страницах научной прессы, но, судя по заявленным характеристикам нового материала, интригующие применения не за горами – и наноэлектронные приборы, и топливные элементы. Осталось совсем малое - научиться технологии массового производства.

М.Компан, С.Чикичев

  1. K.S.Novoselov. et al., Science 306, 666, (2004).
  2. J.O.Sofo et al., Phys. Rev B 75, 153401 (2007).
  3. D.W.Boukhalov et al., Phys. Rev B 77, 035427 (2008).
  4. A.Savchenko, Science 323, 589 (2009).
  5. T.O.Wehling et al., Nano Letters 8, 173 (2008).
  6. D.C.Elias et al., Science 323, 610 (2009).

Прозрачные растяжимые электроды на основе графеновых пленок

Графены являются новой разновидностью углеродных наноматериалов, привлекающих в последние годы растущий интерес со стороны исследователей и инженеров. Это плоские структуры с поперечным размером от нескольких до нескольких сот микрон, состоящие из одного или нескольких слоев графита. Разработка новых методов получения графенов в макроскопических количествах сопровождается, с одной стороны, обнаружением новых необычных физико-химических свойств, а с другой стороны - расширением круга возможных применений таких структур. В частности, миниатюрные размеры графенов и их хорошая электропроводность открывают перспективы использования этих объектов в качестве элементов наноэлектронных устройств. Примером такого использования может служить работа [1], выполненная недавно группой исследователей из университетов Кореи, которые разработали эффективный метод нанесения графеновой пленки на слой никеля толщиной менее 300 нм, покрывающий SiO2/Si подложку. Слой никеля наносили на подложку с помощью испарителя на основе электронного пучка и прогревали в кварцевой трубке в атмосфере аргона при 1000о С. Графеновую пленку выращивали в течение 7 мин. в потоке CH4:H2:Ar (550:65:200 см3/мин. в пересчете на стандартные условия), после чего быстро охлаждали до 25оС в атмосфере аргона. Как было обнаружено, скорость охлаждения пленки является критическим параметром, подавляющим образованием многослойных графенов и определяющим возможность эффективного отделения слоев от подложки при последующих операциях.

На изображении графеновой пленки, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, различимы графены, содержащие различное число слоев. После переноса пленки с никелевой подложки на кремниевую, покрытую слоем SiO2 толщиной 300 нм, были получены изображения в конфокальном КР микроскопе. Эти изображения содержат как однослойные, так и многослойные (с числом слоев до 10) графены. В некоторых случаях графены имеют волнистую структуру. С целью измерения электрических и оптических характеристик полученных графеновых пленок был изготовлен образец площадью 1х1см2. Спектр пропускания пленки, перенесенной на кварцевую подложку, измеряли в УФ и видимой областях. Прозрачность пленки, выращенной на никеле в течение 7 мин., составила в видимой области спектра около 80%. Поскольку, согласно ранним измерениям, коэффициент поглощения индивидуального графенового слоя составляет примерно 2,3%, прозрачность пленки указывает на среднее число слоев в ней от 6 до 10. Сокращение времени роста и уменьшение толщины никелевого слоя приводит к повышению прозрачности пленки до 93%. Электрическое сопротивление синтезированного образца пленки около 280 Ом, что примерно в 30 раз ниже результатов, получавшихся раннее. Это соответствует подвижности носителей 3750 см2V-1 s-1 и плотности носителей на уровне
5х1012cm-2. Графеновая пленка имеет хорошую гибкость, допуская изгиб с радиусом кривизны порядка 1 мм с последующим восстановлением. Все эти свойства графеновых пленок указывают на перспективы их использования в электронике в качестве гибких и прозрачных электродов, обладающих хорошей электропроводностью и высокими механическими качествами.

А. Елецкий

  1. K.S.Kim et al., Nature 457, 706 (2009).

Полевая эмиссия электронов из вертикально ориентированных графенов

Усилия большинства коллективов направлены в первую очередь на разработку относительно простых и недорогих способов получения графенов в макроколичествах, ибо от решения этой задачи зависит возможность дальнейшего развития как фундаментальных, так и прикладных исследований в данной области. Недавно в одной из лабораторий Католического университета в Левене (Бельгия), был разработан эффективный способ получения графенов хорошо известным методом химического осаждения паров (CVD) [1]. Это позволило не только синтезировать матрицу, содержащую значительное количество вертикально ориентированных (то есть перпендикулярных подложке) графенов, но также продемонстрировать хорошие эмиссионные свойства такой матрицы. Для получения графенов использовали СВЧ излучение мощностью 6 кВт и частотой 2.45 ГГц, которое вводили при 700оС в камеру, содержащую смесь Н2 + СН4 в соотношении 8:1 (или 4:1) при общем давлении 50 мбар. Газ прокачивали через камеру со скоростью 200 см3/мин. Время синтеза графенов - 40 мин.

Исследования, выполненные с помощью сканирующего электронного микроскопа, электронографии и рентгенографии, а также методами комбинационного рассеяния света и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, показывают, что в результате описанной процедуры синтеза на подложке из титана (либо диокисида кремния) образуется матрица вертикально ориентированных графенов, содержащих от 4 до 6 графитовых слоев с высокой степенью кристаллизации. Эмиссионные свойства такой матрицы исследовали при остаточном давлении 10-5 Тор с использованием анодной пластинки из нержавеющей стали, расположенной на расстоянии 100 мкм от подложки с графенами. Измерения показали, что плотность тока эмиссии на уровне 10 мА/см2 достигается при величине приложенного напряжения порядка 1 В/мкм. Измеренные эмиссионные вольт-амперные характеристики графеновой матрицы хорошо соответствуют известной зависимости Фаулера-Нордгейма. Обработка этой зависимости в предположении, что работа выхода электрона для графена составляет 5 эВ (как для графита), приводит к величине коэффициента усиления электрического поля в пределах 5000 - 7500. После нескольких циклов изменения приложенного напряжения величина коэффициента усиления снижается до 3000. Такое изменение обусловлено, по-видимому, прогоранием графенов, выделяющихся из общего ряда благодаря своей высоте и определяющих значение коэффициента усиления. Исследования показывают, что графены, выращенные на подложке из титана обладают более высокими эмиссионными характеристиками по сравнению с графенами на диоксиде кремния. Кроме того, установлено, что смесь Н2 + СН4 в отношении 8:1 приводит к синтезу графенов с более высокими эмиссионными характеристиками по сравнению со смесью состава 4:1.

А.Елецкий

1. A.Malesevich et al., J. Appl. Phys. 104, 084301 (2008).

С апреля 2006 г. ПерсТ выпускается только в электронном формате и представлен по адресу http://perst.issp.ras.ru и http://perst.isssph.kiae.ru . Желающие получать выпуски ПерсТа по своему электронному адресу могут сообщить его в адрес редакции perst@issp.ras.ru


Ответственный редактор И.Чугуева irina@issp.ras.ru тел: (495) 930-33-89. Научные редакторы: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин. В подготовке выпуска принимали участие: О.Алексеева, А.Елецкий, М.Компан, М.Маслов, Л.Опенов, А.Пятаков, С.Чикичев. Компьютерный ввод, макет: И.Фурлетова


Источник: Перст



Комментарии
Владимир Владимирович, 13 марта 2009 05:32 
Углеродные нанотрубки в биологии

Последние достижения в этой области представлены в обширном обзоре группы исследователей из Clemson University (США) под руководством Prof. Y.-P. Sun [1]. В обзоре рассматриваются вопросы химической модификации нанотрубок, специально направленной на их связывание с такими биологически активными объектами как белки, пептиды, ДНК/РНК...
Авторы изучили более 100 публикаций, но, к сожалению, ссылок на исследования, проведенные в России, нет...

ну, если авторы не посмотрели, это не значит, что их совсем нет, например немного рекламы - первые квантово-химические расчёты УНТ увитых ДНК:
DNA-wrapped carbon nanotubes
A.N. Enyashin et al, 2007, Nanotechnology, 18, 245702 (10pp), doi: 10.1088/0957-4484/18/24/245702

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Графен отдыхает. Максен (MXene) пришел на замену
Графен отдыхает. Максен (MXene) пришел на замену

III Международная гибридная школа-конференция "Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем - 2021"
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает вас принять участие в III Международной гибридной школе-конференции "Сканирующая зондовая микроскопия для биологических систем -2021", BioSPM-2021

SCAMT Workshop Week - практикум по нанотехнологиям в области хим/био/IT. Санкт-Петебург, 30 января - 6 февраля
SCAMT открывает подачу заявок на 8-ую научную школу SCAMT Workshop Week, которая пройдет с 30 января по 6 февраля 2022 года. Для студентов, прошедших отбор, участие в SWW бесплатное, иногородним предоставляется проживание.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Ленточки в косую полосочку: где кончается текстурный дизайн и начинается деформационная инженерия. Борофен: От слоя к слою. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать: скачки Баркгаузена в сегнетоэлектрике. Украшение из скандия для притяжения водорода. Нобелевская премия 2021.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2021
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 8, 9, 10 и 11 июня 2021 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут с использованием дистанционных образовательных технологий.

Академик Е.Н. Каблов: «Для освоения космоса нужны новые материалы»
Янина Хужина
В этом году весь мир отмечает 60-летие первого полета человека в космос. Успех миссии Юрия Гагарина стал возможен благодаря слаженной работе многих людей: физиков, математиков, конструкторов, инженеров-проектировщиков и, конечно, материаловедов. «Научная Россия» обсудила с академиком РАН Евгением Кабловым основные вехи в развитии космического и авиационного материаловедения.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2021 году
коллектив авторов
25 - 28 мая пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.