Благодаря своим уникальным свойствам углеродные нанотрубки (УНТ) уже давно привлекли внимание исследователей, работающих над созданием новых материалов для катализаторов, фильтров, электродов, конденсаторов и др. Особенно удобно для этих целей использовать макроскопические пластины из нанотрубок – так называемую бумагу, или buckypaper, которая в идеале должна иметь такие же хорошие механические, электрические и термические свойства, как и отдельные нанотрубки.

Обычно такой материал получают путем фильтрации суспензии из нанотрубок с последующим промыванием и сушкой. Так, например, были получены макроскопические пластинки из одностенных УНТ, которые при работе в физиологических условиях (в соленой воде) и низком напряжении проявили характеристики, сопоставимые или даже превосходящие соответствующие характеристики натуральных мышц [1]. Но, к сожалению, и в этом, и в других случаях эффективность использования получаемой бумаги ограничена. Ее свойства (модуль упругости, тепло- и электропроводность) заметно уступают свойствам отдельных нанотрубок. В основном это связано с тем, что нанотрубки в бумаге искривлены, спутаны, ориентированы случайным образом. Поэтому очень важно разработать эффективные методы их ориентирования. Предлагаются различные пути, например, с использованием магнитного поля, но они довольно сложны, а помогают улучшить характеристики лишь частично.

Новую методику получения бумаги из УНТ недавно разработали китайские исследователи [2]. Они предложили использовать принцип домино! «Сухой» in-situ метод действительно прост и эффективен. Он позволяет получать из ориентированных нанотрубок толстые плотные листы большой площади.

Рис.1. Схема принципа домино: а – формирование бумаги из ориентированных нанотрубок; b – отделение бумаги от подложки; c – отделение бумаги от микропористой мембраны

Рассмотрим предложенный способ подробнее. Сначала методом химического газофазного осаждения (CVD) на кремниевой подложке (обычно круг диаметром 10 см) «выращивают» густой «лес» многостенных нанотрубок высотой более 100 мкм. Затем применяется принцип домино (рис.1). Массив нанотрубок покрывают микропористой мембраной и «прокатывают» с помощью небольшого стального валика, сплющивая «лес» (а). Силы Ван-дер-Ваальса притягивают нанотрубки друг к другу. Образуется плотная бумага. С помощью микропористой мембраны она легко отделяется от подложки (b). Мембрану, в свою очередь, можно отделить, пропитав ее этанолом ( c ).

Результаты исследования нового материала с помощью электронной микроскопии подтвердили, что использование принципа домино позволило получить более плотный материал, состоящий из хорошо ориентированных нанотрубок. Типичный вид сбоку выращенного массива УНТ высотой 500 мкм, а также отдельная нанотрубка диаметром 15 нм представлены на рис. 2а. Поверхность бумаги, полученной из этого массива методом прокатки, показана на рис. 2b.

Рис.2. а – вид сбоку массива УНТ; b – поверхность бумаги, полученной из этого массива

На рис. 3 (a,b) представлены фотографии бумаги, полученной по описанной выше методике. Поверхность бумаги очень гладкая, а сама бумага настолько прочная и гибкая, что ученые смогли сложить из нее лебедя-оригами (рис. 3с). Но, конечно, материалу можно найти более важное применение.

Рис.3. a,b – Круглые образцы полученной бумаги. с – лебедь из «buckypaper»

Эффективная теплопроводность материала в направлении ориентирования нанотрубок равна 331 Вт/(м К), что хотя и намного ниже теплопроводности индивидуальной нанотрубки, но выше, чем у Al и близко к величине для Cu, и лучше полученных ранее результатов. В поперечном направлении теплопроводность равна 72 Вт/(м К), а для образца случайным образом ориентированных нанотрубок – 81 Вт/(м К). Эти свойства могут оказаться полезными для решения проблем отвода тепла в микроэлектронике. Электропроводность нового материала в направлении ориентирования нанотрубок также оказалась выше, чем у прежних образцов.

Такие материалы с контролируемой структурой, по мнению авторов [2], наиболее перспективны для электродов суперконденсаторов.

О. Алексеева

• 1. ПерсТ 9, вып. 24, с.2 (2002)
• 2. D.Wang et al. Nanotechnology 19, 075609 (2008)