Графен как детектор ДНК
В работе [1] предложено использовать одно- и двухслойный графен для регистрации молекул ДНК в ионном растворе. Путем облучения графена пучком высокоэнергетичных электронов авторы [1] “сверлили” в нем отверстия диаметром d = (5 ÷ 23) нм и измеряли ионную проводимость G графеновой мембраны с такими отверстиями. Для графена без “дырки” величина G очень мала (несколько десятков пС), то есть бездефектный графен препятствует транспорту через него ионов. Наличие нанопоры приводит к резкому увеличению G до ~ 100 нС (при этом Gвозрастает линейно по d). Когда через нанопору проходит одна-единственная молекула ДНК, она блокирует движение ионов, и на зависимости силы ионного тока Iот времени появляется ступенька высотой ~ 1 нА и шириной ~ 100 мс. Ожидается, что в перспективе детальный анализ подобного рода экспериментов в сочетании с компьютерным моделированием позволит извлекать информацию о структуре ДНК (а также других сложных молекул) из вида кривой I(t). Не исключено также, что после соответствующей модификации развитая в [1] методика сделает возможным исследование динамики поверхностных химических реакций. (Рис.1)
Л.Опенов
1.S.Garaj et al., Nature 467, 190 (2010).
Магнетосопротивление графеновых нанолент
Предполагаемое практическое использование графеновых полосок нанометровой ширины в наноэлектронных устройствах основано на том, что в электронном спектре таких нанолент (в отличие от собственно графена) имеется диэлектрическая щель, которая возникает из-за размерного квантования и краевых эффектов. Теоретически предсказано, что графеновые наноленты (GNR) должны обладать большим магнетосопротивлением (MR). В работе [1], выполненной в Univ. of California, Los Angeles (США), были изучены магнитоэлектронные свойства полевых транзисторов с полупроводниковым каналом из GNR шириной (5÷40) нм (см. рис.).
Показано, что в параллельном магнитном поле проводимость GNR существенно не изменяется, тогда как в перпендикулярном падает: MR – отрицательно и достигает 100% при H = 8 Тл и T = 1.6 К. При комнатной температуре MR меньше, но все равно превышает 50%. Величину MR можно регулировать, изменяя либо управляющее напряжение на затворе, либо напряжение между источником и стоком. Причина большого MR заключается, по-видимому, в уменьшении диэлектрической щели из-за ослабления размерных эффектов вследствие того, что в сильном магнитном поле электроны движутся по орбитам, радиус которых меньше ширины GNR. Высокую чувствительность проводимости GNR к магнитному полю предполагается использовать для создания магнитоэлектронных наноустройств нового поколения. (Рис.2)
1.J.Bai et al., Nature Nanotech. 5, 655 (2010).
Зависимость коэффициента теплопроводности графеновой пленки от числа слоев
Изучение свойств графена, представляющего собой один или несколько двумерных поверхностей, составленных из атомов углерода и имеющих гексагональную структуру, привлекает все возрастающее внимание исследователей многих лабораторий мира. Наряду с фундаментальным интересом, который связан с открывшейся возможностью изучения поведения двумерных структур, имеются перспективы развития прикладных направлений, основанных на уникальных физико-химических свойствах графена. Одним из таких свойств является аномально высокая теплопроводность графена, превышающая, согласно результатам прямых измерений и последовательных расчетов 5000 Вт/м К. Указанная величина является рекордной среди всех известных материалов и обусловлена совершенной структурой графена с минимальным числом дефектов. Механизм теплопроводности графена связан с распространением фононов, так что коэффициент теплопроводности определяется длиной пробега фонона, связанной либо с рассеянием на дефектах, либо с фонон-фононным взаимодействием. Если указанная длина пробега превышает размер образца, то имеет место баллистический перенос тепла, при котором фононы проскакивают сквозь графен, не испытывая рассеяния. Этому баллистическому механизму соответствует приведенный выше рекордный коэффициент теплопроводности. Обращает на себя внимание тот факт, что коэффициент теплопроводности однослойного графена более чем вдвое превышает соответствующую величину для кристаллического графита. Поскольку графит состоит из графеновых слоев, отстоящих друг от друга на расстояние около 0.35 нм, этот факт указывает на влияние соседних слоев на перенос фононов вдоль графенового слоя. Взаимодействие фононов с соседними слоями открывает дополнительный канал рассеяния, наличие которого приводит к снижению коэффициента теплопроводности. Можно ожидать снижения коэффициента теплопроводности графеновой пленки по мере увеличения числа слоев в ней, так что при достаточно большом числе слоев должна достигаться теплопроводность графита. Прямая демонстрация такой зависимости была получена недавно в эксперименте, выполненном в Univ. of California-Riverside (США).
Авторы [1] использовали для измерения коэффициента теплопроводности графена изящный метод, основанный на температурной зависимости положения G пика спектра комбинационного рассеяния графена. Лазерный луч фокусируется на графен, подвешенный над углублением в подложке, в пятно диаметром менее 1 мкм, что вызывает его нагрев до температуры, величина которой определяется по смещению положения G пика. С другой стороны, эта температура определяется из решения уравнения теплопроводности для графена с варьируемым коэффициентом теплопроводности. Величина коэффициента теплопроводности определяется на основании совпадения измеренной и вычисленной температуры.
Измеренная при комнатной температуре зависимость коэффициента теплопроводности графена от числа слоев приведена на рисунке. Прерывистыми линиями показан диапазон изменения теплопроводности кристаллического графита. Ромбами и треугольниками обозначены результаты расчетов теплопроводности для бездефектных графенов, полученные различными методами. Поскольку коэффициент теплопроводности графена зависит от размера образца, результаты эксперимента приведены к единому размеру (5 мкм). Как видно, измеренная зависимость при большом числе графеновых слоев асимптотически приближается к величинам, характерным для кристаллического графита. (Рис. 3)
А.Елецкий
1.S.Ghosh et al., Nature Mater. 9, 555 (2010).
Buckypaper защитит от огня полимерные композиты
Разработка антипиренов (Рис. 4) (отгреческого аnti- анти и руr-огонь) нового поколения – чрезвычайно важная задача, ведь многие из тех соединений, которые применяются сейчас для защиты от возгорания древесины, тканей, полимеров, содержат хлор или бром. Предметы домашнего обихода (телевизоры, компьютеры, мебель и др.) тоже обрабатываются антипиренами, чтобы избежать ужасных последствий при возникновении пожара. Вещества, входящие в состав таких антипиренов, могут постепенно выделяться в окружающую среду. К сожалению, появились свидетельства их вредного воздействия на здоровье людей (в частности, на функцию щитовидной железы), и в некоторых странах использование этих соединений запретили.
Необходимо искать новые материалы. Углеродные нанотрубки (УНТ) уже продемонстрировали свою эффективность, в том числе для повышения термостойкости полимеров (см. ПерсТ [1]). Однако возможность их использования для огнезащиты высокотемпературных полимеров - материалов с высокими технологическими и эксплуатационными показателями - до сих пор не изучалась. Первые данные недавно опубликовали американские исследователи [2]. Они показали, что для полиимидов отличным защитным барьером может служить buckypaper – смесь одно- и многостенных нанотрубок (ОСНТ и МСНТ).
Полиимиды - очень прочные и устойчивые к воздействию излучения, химических веществ и высокой температуры полимеры (спектр рабочих температур от -270оС до +300оС). Они широко используются в электронике, машиностроении, авиационно-космической промышленности (особенно в виде композитов полиимид – углеродное волокно). Полиимиды применяются и при создании многих бытовых приборов. Авторы [2] изучили воспламеняемость композитов на основе известного полиимида PETI-330, разработанного учеными NASA. Были приготовлены и исследованы три типа образцов (таблица 1): CP – контрольный образец, композит полиимид-углеродное волокно; СР-CNT – композит СР, в который добавлены МСНТ; СР-ВР – композит СР (без добавления МСНТ), поверхность которого защищена 40 мкм-слоем buckypaper (ОСНТ:МСНТ = 1:5 по весу).
Таблица 1. Состав исследованных образцов композитных материалов.
|
Состав (масс.%) |
|||||
|
Образец |
Углеродное волокно |
Полиимид |
УНТ |
Buckypaper |
Толщина (мм) |
|
CP |
69.9 |
30.1 |
2.08 |
||
|
CP-CNT |
69.3 |
29.1 |
1.5 |
2.10 |
|
|
CP-BP |
69.0 |
30.0 |
1.0 |
2.10 |
|
Исследователи провели калориметрические измерения и термогравиметрический анализ, а также использовали электронную микроскопию (SEM). Как видно из рис. 5, buckypaperпредставляет собой взаимопроникающую сетку из МСНТ большего диаметра и ОСНТ меньшего диаметра.
Калориметрические измерения показали, что buckypaper выдержала тест на возгорание. По сравнению с исходным композитом максимум скорости тепловыделения для защищенного bucky-бумагой образца снизился на 40%, общее тепловыделение при этом уменьшилось на 26%, дыма образовалось на 82% меньше (а дым - один из важных факторов риска при пожаре!), общая потеря массы оказалась на 33% ниже. Время воспламенения увеличилось на 38с (рис. 6).
Для композита CP-CNT максимум скорости тепловыделения по сравнению с контрольным образцом тоже заметно снизился - на 38%, время воспламенения увеличилось на 18 с., но при этом общее тепловыделение уменьшилось всего на 3.7%, общая потеря массы не изменилась, а дыма образовалось даже на 28% больше, чем для CP композита!
Исследования с помощью электронной микроскопии показали, что после теста поверхность контрольного CP образца растрескалась, обнажились входящие в состав композита углеродные волокна (рис. 7).
На поверхности CP-CNT образца после теста тоже были обнаружены углеродные волокна (с присоединенными к ним МСНТ). Таким образом, непосредственное добавление нанотрубок в композит не привело к формированию защитного покрытия. Совсем другая картина наблюдалась для CP-BP образца (рис. 8). Хотя нельзя исключить повреждений buckypaper, защитный слой в целом сохранился. Появление в некоторых местах светлых волокнистых образований - флоккул (рис. 8с) не снижает огнезащитных свойств. Авторы считают, что это, возможно, аморфный углерод, образовавшийся при горении УНТ.
Таким образом, результаты исследований [2] показали, что для огнезащиты композитов полиимид-углеродное волокно наиболее перспективно использование buckypaper, материала, который создает эффективный барьер, препятствующий потоку тепла и кислорода в матрицу.
О.Алексеева
1. ПерсТ 16, вып. 24, с. 6 (2009).
2. X.Fu et al., Nanotechnology 21, 235701 (2010).
Выпрямитель тока на основе однослойной нанотрубки
Уникальные характеристики углеродных нанотрубок (УНТ) привлекают интерес исследователей к этому объекту и позволяют рассматривать его в качестве возможного элемента будущих наноэлектронных устройств. На возможность реализации такой перспективы указывают результаты многочисленных экспериментов, демонстрирующих эффективную работу различных электронных приборов на основе УНТ. Один из таких экспериментов, выполненный недавно в Rice Univ. (США) [1] посвяще н использованию однослойных УНТ в качестве основы диодного выпрямителя.
Пленку, состоящую из жгутов однослойных УНТ, выращивали методом каталитического CVD на оксидном слое толщиной 100 нм, который покрывал подложку из сильно легированного кремния. Толщина пленки была около 2 нм, а ее ширина равнялась ~ 50 нм.
В качестве электродов использовали слой золота толщиной 100 нм, на который, напыляли на подложку и на который, в свою очередь, напыляли слой Ti толщиной 10 нм. На одной подложке площадью 15х15 мм2 располагалось около 135 отдельных диодов размером 250х250 мкм2 с межэлектродным расстоянием 3, 5, 7 и 10 мкм. Образец подложки с напыленными диодами в течение 30 мин отжигали при температуре 200оС в атмосфере азота с целью удаления присоединенных радикалов кислорода. Измерения показали, что выпрямляющими электронными свойствами обладают только около 25% диодов, размещенных на подложке. Остальные диоды либо обладают симметричными вольтамперными характеристиками, либо вообще не проявляют проводимости ввиду плохого электрического контакта. Для диодов, обладающих асимметричными вольтамперными характеристиками, измеренное отношение прямого тока к обратному оказалось в диапазоне между 103 и 105. Величина этого отношения, с одной стороны, зависит от межэлектродного расстояния, а с другой стороны – от величины и знака затворного напряжения, подаваемого на подложку. Столь высокое отношение прямого тока к обратному указывает на хорошие выпрямляющие свойства диодов на основе УНТ. Для изучения указанных свойств на диоды подавали переменное напряжение частотой от 1 до 1000 Гц и амплитудой 1, 2 или 3 В. При этом, коэффициент преобразования мощности переменного тока в постоянный составляет около 20% при частотах ниже 200 Гц и плавно (примерно на 40%) спадает с частотой в диапазоне от 200 до 1000 Гц. В качестве физических причин выпрямляющего действия диодов на основе УНТ авторы называют хиральность нанотрубок, которая задает преимущественное направление прохождения тока, а также наличие структурных дефектов на стенках УНТ.
А.Елецкий
1.G.Mallick et al., Appl. Phys. Lett. 96, 233109 (2010).
