Американские исследователи нашли способ выращивания прямолинейных, но, в то же время, прозрачных углеродных нановолокон. Предложенная технология – это настоящий прорыв, который позволит применить волокна в самых разнообразных областях от генной терапии и солнечной энергетики до создания водоотталкивающих покрытий.

Традиционно под углеродными нановолокнами понимаются структуры из атомов углерода, имеющие диаметр 20 – 60 нм при длине порядка нескольких микрон. В отличие от нанотрубок, где существует полость внутри, углеродные нановолокна имеют внутренние перегородки, конфигурация которых часто зависит от метода производства. Подобные нановолокна можно представить как «стопку» конусообразных слоев графена.

На сегодняшний день существуют различные методики получения нановолокон; наиболее распространенная и дешевая – каталитическое химическое газофазное осаждение (реализуемое в различных вариантах).

Однако общая проблема всех этих вариантов – невозможность получить достаточно длинные, прямые и тонкие нановолокна.

Но, похоже, эта проблема решена. Для изготовления прямых углеродных нановолокон ученые из North Carolina State University, Oak Ridge National Laboratory и CFD Research Corporation (США) предложили многоступенчатый процесс, начинающийся с осаждения частиц никеля на кремне-содержащей подложке.

После этого поверх осажденных частиц накладывается сетка, выполненная из хрома. Далее подложка и сетка помещаются в высокотемпературную камеру, нагретую до 700 градусов по шкале Цельсия. При этом камера заполняется смесью газов – ацетилена и аммиака. В данном случае сетка из хрома играет роль отрицательно-заряженного электрода, при этом в верхней части камеры располагается второй, положительный электрод.

Под действием электрического поля положительно заряженные ионы газа начинают двигаться к отрицательно заряженной сетке. При этом осажденные ранее наночастицы никеля работают как катализатор. Реагируя с углеродом в молекулах ацетилена, никель провоцирует образование длинных прямых нановолокон. Важная особенность реакции заключается в том, что молекулы углерода располагаются между подложкой и наночастицей никеля; так что катализатор всегда оказывается на кончике нановолокна.

Одна из проблем, возникающих в подобных процессах производства, – засорение катализатора углеродной пленкой (что, естественно, прекращает каталитическую реакцию). Но в данном случае препятствуют этому положительно заряженные ионы, движущиеся по направлению к сетке. Во время движения многие из них сталкиваются с наночастицами никеля, в прямом смысле «сбивая» с них избыточный углерод. Это позволяет поддерживать постоянный рост нановолокон. Наблюдение за экспериментом показало, что углеродные волокна действительно получаются прямыми и достаточно длинными.

По словам самих исследователей, их работа впервые продемонстрировала возможность выращивания подобных углеродных нановолокон. Детальное описание методики было опубликовано в журнале Applied Materials & Interfaces.

Прозрачный прямолинейный инструмент наномасштаба может иметь широчайшее применение в науке и технике. К примеру, в будущем углеродные нановолокна могут использоваться в исследованиях в области генной терапии. Волокна могли бы обеспечить доставку генного материала в ядра исследуемых клеток, при этом их прозрачность позволила бы наблюдать ученым, каким образом «инструменты» взаимодействуют с клеткой и даже впоследствии управлять этим взаимодействием.