Рассортировать нанотрубки поможет новая структурная модель

Учёные из Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева разработали математические модели, описывающие структуру различных типов нанотрубок. Они позволят скорректировать существующие теоретические представления и методы расчёта различных характеристик нанотрубок

Зуфар Халитов

По мере накопления опыта применения моделей с их помощью можно будет прогнозировать свойства нанотрубок и разрабатывать методы их автоматической сортировки. Работа была опубликована в последнем номере журнала Scientific Israel – Technological Advantages.

«В любом кристалле, в том числе и в цилиндрическом, нет ничего, кроме как-то расположенных атомов, – пояснил корреспонденту «Информнауки» один из авторов исследования Зуфар Халитов. – Это определяет все его свойства, в том числе и электрические».

Зуфар Халитов: «Нанотрубки являются наиболее перспективными объектами нанотехнологий в целом и наноэлектроники в частности, обещая настоящий прорыв в информационных технологиях. Но никакие серьёзные разработки невозможно начать, пока нет структурных моделей». Фото из личного архива учёного.

Для того, чтобы использовать необычные электрические свойства нанотрубок, нужно получить достаточное количество трубок со сходным строением.

• Проблема в том, что сегодня не существует метода синтеза, позволяющего получать только одну разновидность нанотрубок. Во время любой реакции образуется смесь продуктов с разными характеристиками. Это означает, что для эффективного применения нанотрубок в электронике необходимо разработать методы сортировки продуктов реакции по определённым критериям. Над этой задачей работают исследовательские группы по всему миру.

Зуфар Халитов и его коллеги считают, что ключ к решению этой проблемы могут дать дифракционные методы анализа структуры нанотрубок. Использование различных лучей (рентгеновских, потока электронов и нейтронов) и анализ их взаимодействия с исследуемым веществом позволит определить критерии отбора нанотрубок и разработать метод их выделения. Но для того, чтобы дифракционный анализ действительно оказался полезным, нужно не определять структуру кристалла с нуля, а ориентироваться на заранее разработанную модель.

«Структурная модель кристалла является «печкой», от которой танцуют все: и те, кто хочет рассчитать какие-то его свойства (например, проводимость), и те, кто хочет разработать методы его идентификации и измерения параметров, например, на основе дифракции электронов или рентгеновских лучей, – отметил учёный, – Никакие серьезные разработки невозможно начать, пока нет структурных моделей. Можно только действовать как алхимики, методом «тыка», что в значительной степени и делалось последние 20 лет».

Исследователи получили выражения, которые однозначно определяют координаты любого атома в нанотрубках различных геометрических типов. В разработанных моделях учёные использовали понятие элементарной ячейки, «кирпичика», параллельным переносом которого можно получить цельную нанотрубку. Такой метод используется в кристаллографии для описания кристаллов, обладающих природной симметрией.

.

Геометрические типы многослойных нанотрубок: а – круговая, б – хиральная, в – спиральная (рулонная). Иллюстрация Халитова

• Выделяют три типа строения многослойных нанотрубок. В круговой нанотрубке слои вставлены один в другой, как в матрёшке. Хиральный тип похож на круговой, но в этом случае слои сворачиваются под некоторым углом к оси нанотрубки. Спиральные нанотрубки свёрнуты подобно рулону обоев. Эта классификация обычно используется для описания углеродных нанотрубок, но формировать нанотрубку могут и другие вещества: существуют хризотиловые, сульфидные, бор-нитридные трубки.

Математическая модель, построенная на использовании понятия элементарных ячеек, позволила разработать уравнения не только для круговых и хиральных, но и для спиральных нанотрубок. Кроме того, предложенная модель, в отличие от ранее разработанных аналогов, позволяет описывать не только углеродные нанотрубки, но и трубки любого химического состава.

Исследователи уже сопоставили разработанные модели с экспериментальными данными.

«Наши модели нанотрубок не противоречат опытным данным, а некоторые дифракционные эффекты, имеющие место в эксперименте, нам удалось описать впервые, – рассказал Халитов, – Также мы использовали наши модели при теоретическом анализе волновых процессов в полости нанотрубки и получили очень интересные результаты».

В будущем исследователи планируют провести более масштабную проверку полученных моделей. После усовершенствования в соответствии с экспериментальными данными, модели можно будет применять для разработки новых дифракционных методов идентификации нанотрубок и измерения их структурных параметров. В дальнейшем использование модели поможет в разработке методов автоматического отбора нанотрубок заданного структурного типа.

Более того, «по мере накопления опыта такого анализа мы сможем прогнозировать свойства нанотрубок, то есть предсказывать структуру и методы синтеза нанотрубок с требуемыми свойствами», – говорит исследователь.

Хадиев Азат

Источник:

• I.K Nasyrov., D.M. Pashin , Z.Ya. Khalitov , D.N. Valeeva Structure of chiral and spiral nanotubes of arbitrary composition. Scientific Israel – Technological Advantages, vol. 12, 3, 2010, p. 63–73.

http://www.strf.ru/material.aspx?…