Исследователи в области углеродных нанотрубок работают над созданием материалов на их основе с более предсказуемыми свойствами. Эти технологии еще пока не существуют, но появление в реальной жизни гибридных материалов, изготовленных с помощью углеродных нанотрубок (CNT), все ближе....

Представьте себе, что Вы используете крошечные структуры размером с молекулу для сбора солнечного света и преобразования его в электричество. Или представьте себе, что Вы используете те же структуры для хранения водородного топлива так, чтобы они могли размещаться в топливных баках автомобилей.

Или представьте себе, что Вы заменяете ими используемые сегодня полупроводники, открывая дорогу новому поколению небольших и мощных электронных устройств.

Эти технологии еще пока не существуют, но работа исследователей из Университета Висконсина-Милуоки (UWM) приближает их появление в реальной жизни за счет создания гибридных материалов, изготовленных с помощью углеродных нанотрубок (CNT).

Изображение с помощью просвечивающей электронной микроскопии показывает углеродные нанотрубки с множеством стенок и покрытием из серебряных нанокристаллов

Цзюнь Хун Чень, доцент в области инженерной механики, разрабатывает усовершенствованные методы для того, чтобы сделать поведение CNT более предсказуемым.

CNT представляют собой невидимые тонкие листы графита, которые свернуты в цилиндрическую форму. Лаборатория Ченя уделяет основное внимание новым применениям для CNT в сочетании с наночастицами, фрагментами материи, которые наноразмерны во всех трех измерениях (несколько нанометров в толщину, что примерно в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.
"Эти интересные многокомпонентные структуры дают новые возможности в нескольких междисциплинарных областях", - рассказывает Чень, "включая медицинскую диагностику, технологию зеленой энергетики, и датчики для всего на свете, от пищевых продуктов до невидимых токсичных газов".

Столкновение большого и малого миров
CNT являются потенциальными мега звездами молекулярного инжиниринга благодаря своим замечательным механическим и электронным свойствам. Они уже используются при производстве плоских экранов и сенсорных устройств, которые могут обнаруживать очень малые концентрации веществ.
Они проводят электричество подобно меди и кремнию, они прочнее стали, они податливы как полимеры, и их можно производить из целого ряда сырьевых материалов.

Вся проблем в том, чтобы заставить их вести себя предсказуемым образом.
С помощью своего аспиранта Ганхуа Лу, Чень разработал метод создания гибридных структур с помощью нанесения на CNT аэрозольных наночастиц. В его лаборатории создали низкозатратный способ для получения наночастиц "по индивидуальному заказу", который позволяет им полностью контролировать конечные свойства структуры .

Манипуляции с CNT и наночастицами это непростое дело, поскольку на их поведение влияет множество условий. Сразу же за наноразмерным уровнем, на уровне отдельных атомов, материал ведет себя совсем по-другому, чем когда он существует в виде большой массы.
Уже создан газовый датчик с использованием только наночастиц оксида олова.

Их технология производства гибридных структур существенно превосходит используемый в настоящее время метод, а их работа позволяет понять, как взаимодействуют материалы в квантовом мире с теми, которые существуют в видимом мире.

Исследователи поверхности собираются в UWM
"Моя задача создать что-нибудь настоящее, что-то, что люди могли бы увидеть и использовать, от чего будет ощутимый результат", - говорит Чень, который приехал в UWM в 2003 г., проработав год в Калифорнийском Технологическом Институте.

При двух патентах, представленных для регистрации, и финансировании из таких источников, как Национальный научный фонд и Xerox Corporation, его карьера обеспечена.

Чень является одним из целого ряда ученых из UWM (в области инжиниринга, химии и физики), которые ведут исследования в области нанотехнологии и изучения поверхности. На самом деле Лаборатория Исследования Поверхностей UWM, а также Системный Центр Мастерства Университета Висконсина обобщают результаты работы 13 факультетов, изучающих структуру и свойства твердых поверхностей и взаимодействие поверхностей с атомами и молекулами.
В лабораториях исследуются такие проблемы, как: тонкие пленки и ламинаты, спинтроника, молекулярные провода, волоконно-оптические сенсоры, и такие явления, как катализ, коррозия и трение.

Новые материалы – прекрасные свойства
Когда дело касается размера, существуют частицы мелкие и очень мелкие. Наноструктуры могут быть наноразмерными в одном, двух или трех измерения, причем в любом сочетании. Свойства структуры определяются количеством наноразмерных измерений, формой и материалом, из которого изготовлена структура.

CNT, например, может вести себя как проводник электричества или как полупроводник, в зависимости от диаметра и изгиба трубки. У наночастиц имеются свои уникальные параметры. При присоединении к CNT, они могут переносить свои свойства на трубку.
Наночастицы могут потенциально сделать электропроводным изолятор вроде кремния.

По словам Ченя, счастливый союз двух структур дает возможность изобретать новые применения. Например, гибрид можно изменить для поглощения или эмиссии световых волн различной длины, придавая ему оптические свойства.
"Вы получаете возможность создать материал, который потенциально имеет не только свойства CNT и наночастиц, но и некоторые дополнительные свойства за счет их взаимодействия.
"Вот так один плюс один может быть больше двух", - говорит он. "В этом заключается вся идея".

Управление молекулярным строительством
До появления предложенной Ченем технологии слияния двух наноструктур этот процесс мог длиться часами.

По его словам, CNT производятся в газовой фазе из углеродных исходных материалов, но наночастицы изготавливают в растворе. "Вам надо было добиться сочетания сухого и влажного прежде чем получить какие-либо результаты", - говорит он. "Они не слишком совместимы".
Также необходимо было модифицировать поверхность каждой структуры, и для каждого нового участвующего в процессе материала химический состав будет различным.
"То, что Вы получите в результате, может очень отличаться от того, что Вы пытались получить", - говорит он.

Поэтому Чень и сотрудники его лаборатории разработали способ изготовления наночастиц в газовой (сухой) фазе. Затем на них воздействуют с помощью электростатической силы для притягивания любых видов частиц к CNT. Такая одноэтапная технология реализуется за считанные минуты.
"Это действует как очиститель воздуха в помещении, здесь электрическое поле используется для улавливания частиц пыли", - говорит он.

Другим преимуществом данной технологии является то, что Чень может управлять размером наночастицы, которая присоединяется к трубке, и это определяет окончательные свойства гибридной структуры. Чем мощнее электрическое поле, тем более крупные частицы оно будет притягивать.
Чень считает, что у этого исследования огромный потенциал.
"Многие наши проекты реализуются на стыке фундаментальной науки и промышленных применений с огромными возможностями для новых открытий".

Nanotechnology Today