Возможность заполнения углеродных нанотрубок (УНТ) различными веществами открывает новые пути для создания сверхминиатюрных устройств нанометровых размеров.

Для успешного продвижения в этом направлении необходимо провести детальные исследования особенностей поведения различных материалов, заключенных в полость УНТ.

С этой точки зрения, одним из наиболее интересных веществ является вода, поведение которой в свободном состоянии хорошо изучено. Недавно в одном из университетов Токио было выполнено детальное исследование температурных зависимостей электросопротивления и других характеристик УНТ, заполненных водой. В экспериментах использовали два типа образцов УНТ, различающихся по способу синтеза.

Образец А содержал раскрытые или замкнутые однослойные нанотрубки со средним диаметром около 1.44 нм, полученные стандартным электродуговым методом с использованием частиц никеля и иттрия в качестве катализатора. Образец L, содержащий однослойные УНТ со средним диаметром 1.35 нм, был синтезирован методом лазерной абляции с использованием катализатора на основе Ni/Co.

С целью удаления частиц металла этот образец очищали с помощью раствора перекиси водорода, после чего оставшиеся частицы вымывались в результате ультразвуковой обработки в водном растворе соляной кислоты. Очищенные таким образом нанотрубки образовывали тонкий бумагоподобный слой, который просушивали в вакууме при температуре 650^о С. С целью раскрытия нанотрубок и обеспечения проникновения вещества в их внутреннюю полость образцы обоих типов прогревали в атмосфере воздуха в течение 20 – 40 мин. при температурах 350^о и 450^о С.

Рис. 1. Температурные зависимости электросопротивления образцов УНТ, заполненных водой, измеренные в атмосфере различных буферных газов.

Содержание УНТ в образцах, оцененное на основании спектров комбинационного рассеяния (КР), составило 30% (образец А) и 90% (образец L). С целью заполнения УНТ водой полученные образцы выдерживали в насыщенном водяном паре. Затем исследовали их состав и структуру (методами рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии КР и электронной микроскопии), а также электрические характеристики. Результаты рентгеновских измерений позволили определить содержание молекул воды в нанотрубках, которое соответствует примерному выражению С₄₅(Н₂О)_6.4±0.2. Аналогичные измерения, выполненные в атмосфере СН₄, приводят к соотношению С₄₅(Н₂О)x(CH₄)_y, причем x + y = 4.2 ± 0.2.

Температурные зависимости электросопротивления полученных образцов измеряли в присутствии различных газов при атмосферном давлении, а также в условиях вакуума. Эти зависимости показаны на рис.1. Бросается в глаза высокая чувствительность поведения электросопротивления образцов УНТ, заполненных водой, к присутствию различных буферных газов. Эта особенность нанотрубок может быть, в частности, использована для создания датчиков, определяющих присутствие того или иного газа в атмосфере. В качестве объяснения механизма влияния окружающих газов на электрические свойства УНТ, заполненных водой, предполагается, что газовые молекулы при температуре ниже критической (Т ~ 240 K) входят во внутреннюю полость нанотрубки, выталкивая оттуда молекулы воды.

Такое поведение обусловлено различием в силе взаимодействия газовых молекул и молекул воды с внутренней поверхностью нанотрубки. Полученные результаты могут быть положены в основу действия нового типа приборов нанометрового размера, которым авторы дали название «наноклапан». При температуре выше критической, нанотрубки, заполненные водой, являются непреодолимым препятствием для проникновения газовых молекул. При уменьшении температуры ниже критической газовые молекулы могут входить внутрь УНТ, выдавливая оттуда молекулы воды. Тем самым проницаемость нанотрубок для газовых молекул с уменьшением температуры резко возрастает, а сами нанотрубки в этом случае играют роль клапана.

А.В.Елецкий