Один и тот же химический элемент может образовывать вещества с совершенно различными физическими (и потребительскими) характеристиками. Хрестоматийный пример из учебников середины прошлого века – алмаз и графит. Фуллерены, открытые в 1985 году и представляющие собой нульмерные (то есть не имеющие макроскопических размеров ни по одному из трех пространственных направлений)объекты, сразу же окрестили третьей формой углерода.

Вслед за фуллеренами были синтезированы одномерные (нанотрубки) и двумерные (графеновые слои) углеродные наноструктуры. Необычные свойства этих наноструктур и перспективы их практического использования стали главной темой состоявшейся 10–17 марта 2007 г. в Австрии Международной зимней школы IWEPNM-2007.

Рис.1 (a) Кластер N@C₆₀; (b) «Стручок» из кластеров C₆₀ и C₅₉N в нанотрубке (красные кружки – атомы азота)

Много докладов было посвящено «химической модификации» фуллеренов C₆₀. Так, например, кластеры C₅₉N и N@C₆₀ (рис. 1a) предложено использовать в квантовых информационных системах. Роль кубитов при этом будут играть спины атомов азота. В кластерах N@C₆₀ атомы N защищены от воздействия окружения углеродной оболочкой, вследствие чего времена сохранения когерентности спиновых состояний достигают 0.24 мс. Помещая такие кластеры в нанотрубку, как горошины в стручок (рис. 1b), можно организовать двух- и многокубитные операции за счет взаимодействия между спинами разных кластеров. Для регистрации магнитных состояний кластеров можно использовать СКВИДы на основе все тех же нанотрубок.

На школе широко обсуждались перспективы использования нанотрубок (в том числе заполненных биомолекулами и водой) в различных наноустройствах, литиевых батарейках, микрокатетерах, датчиках, конденсаторах, жидкокристаллических дисплеях, искусственных мышцах и др. Двустенные нанотрубки, у которых внутренний слой обогащен изотопом ¹³C (рис. 2) планируется использовать для ЯМР исследования. Достигнут существенный прогресс в разработке методик изготовления нанотрубок с наперед заданной хиральностью. Созданы технологии сравнительно дешевого массового производства одностенных нанотрубок.

Рис.2 Двустенная углеродная нанотрубка с внутренним слоем из атомов ¹³C

В центре внимания участников школы был, конечно, графен – монослой атомов углерода, который лишь недавно научились отделять от графита или изготавливать какими-либо другими способами (как на подложках, так и без оных). С обзорным докладом выступил один из «отцов» графена Константин Новоселов. Он заметил, что «пока мы видим лишь верхушку айсберга», и в скором времени графен преподнесет нам новые сюрпризы. Электроны в графене ведут себя подобно безмассовым дираковским фермионам, а их подвижность на порядок больше, чем в кремнии. Квантовый эффект Холла наблюдается в графене при комнатной температуре. Из узких графеновых полосок изготавливают различные наноустройства, пока в лабораторных масштабах. Во многих выступлениях отмечалась необходимость выхода за рамки одночастичной картины и учета межэлектронного взаимодействия для описания экспериментально наблюдаемой электронной структуры графена.

Может статься, что уже в недалеком будущем углеродные наноструктуры если и не заменят полностью, то по крайней мере существенно потеснят кремний с занимаемых им лидирующих позиций в электронике.