Старые добрые нанотрубки борозды не испортят

Кристаллы из ультратонких углеродных нанотрубок могут найти чудесное применение подобно преобразованию избыточного тепла в электрическую энергию с почти идеальной эффективностью.

Значительный шаг на пути к этому совершили инженеры из университета Райса.

Вообще-то история началась в 2013 году. Тогда Джунихиро Коно из Райса со студентами открыли прорывной метод создания углеродных нанотрубок в тонких пленках на фильтрующей мембране.

Нанотрубки длинные, полые и могут спутываться. Представьте себе садовый шланг длиной десятки километров. Представили? Отлично, теперь представьте, что его диаметр не превышает ширину нескольких атомов. Любой, кто когда-либо пытался распутать шланг, оценит подвиг Коно и его команды, ведь они сумели превратить множество непослушных нанотрубок в хорошо организованные группы. Миллиарды нанотрубок ложились рядами, словно спагетти в коробке.

Так в чем проблема? А проблема в том, что команда Коно понятия не имели, почему все так происходит.

— Это было волшебно, настоящая магия, заявил Коно, инженер и исследователь в области прикладной физики, электричества и материаловедения. Коно исследует углеродные нанотрубки свыше 20 лет.

— Мы так и не поняли, что происходит в микромасштабе. Но что еще важнее, мы не знали, в каком направлении эти нанотрубки будут выстраиваться, добавил ученый.

Возможные объяснения исследователи опубликовали в 2016 году. Ответ неожиданный и просто: нанотрубки выравниваются благодаря крошечным параллельным бороздкам в фильтрующей бумаге. Примечательно, что эти бороздки появляются на бумаге в процессе производства, специально их никто не делает.

Результаты исследования опубликованы в издании Nano Letters.

Ларчик просто открывался

По словам Коно, аспирант его лаборатории Нацуми Комацу (на верхнем фото) была первой, кто обнаружил бороздки в бумаге и связал их с выравниванием нанотрубок.

— Я обнаружила, что в любой коммерчески произведенной мембране для фильтров есть такие бороздки, заявила Комацу. — Плотность бороздок всегда разная, но они есть.

Для получения двухмерных кристаллических пленок исследователи впервые суспендировали смесь нанотрубок в водно-сурфактантном растворе. Похожий на мыло сурфактант обволакивает нанотрубки и служит своего рода детанглером, то есть средством против спутывания.

В 2013 году студенты Коно использовали вакуумную фильтрацию, чтобы пропустить смесь через мембрану фильтра. Жидкость прошла через фильтр, оставив на поверхности пленку с упорядоченными нанотрубками.

В целом ряду экспериментов Комацу с коллегами, включая постдока Саунаб Гош, показали, что нанотрубки выравниваются в соответствии с параллельными бороздками на мембране фильтра.

Комацу проанализировала дюжины образцов бумаги для фильтров и с помощью сканирующих электронных микроскопов классифицировал и описала бороздки.

С помощью высокой температуры и давления ученые удалили бороздки с поверхности бумаги подобно тому, как мы гладим утюгом мятую одежду. Исследователи показали, что пленки на бумаге без бороздок содержат нанотрубки, упорядоченные в разных направлениях.

Наконец, ученые изготовили бумагу с бороздками с определенным узором, и нанотрубки впоследствии повторили этот узор.

Метод удивителен, ведь он дает нужный уровень предиктивности в производстве двухмерных кристаллических пленок нанотрубок.

— Если нанотрубки расположены произвольно, вы теряете все преимущества одномерного материала, заметил Конро. — Одномерность — это ключевое свойство. Именно оно дает начало большинству необычных, но важных физических свойств.

Хотя пленки, полученные группой Коно, все-таки двухмерные, отдельные нанотрубки напоминают одномерный материал, особенно оптическими и электронными свойствами.

Эти свойства углеродных нанотрубок основаны на их диаметре и структуре или хиральности. Некоторые хиральности действуют подобно металлам, в то время как другие — подобно полупроводникам. Ученые десятилетиями пытались отыскать метод получения крупных макроскопических объектов с одним диаметром или хиральностью.

— Вообще это наш следующий шаг, заключила Гош. — В текущем исследовании мы используем смесь металлических и полупроводниковых нанотрубок с разными диаметрами.

09.03.2020