Существующие на данный момент различные методы получения нанотрубок имеют общий существенный недостаток – невозможность контроля их морфологии. Для решения этой проблемы китайские ученые нашли креативную концепцию – растить нанотрубки из небольших исходных фрагментов, получая материал с требуемыми особенностями структуры.

Нанотрубки после получения обычно имеют различный диаметр, хиральность, длину, часто агрегированы между собой и содержат примеси аморфных форм углерода. А разделить такие субстанции на компоненты очень сложно, поскольку нанотрубки обладают схожими свойствами. Фактически, несмотря на огромное количество научных исследований в области получения одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), перед учеными стоит важнейшая задача производства ОУНТ с заданными свойствами.

Китайские ученые из Пекинской Национальной Лаборатории Молекулярных Наук (Beijing National Laboratory for Molecular Sciences) разработали оригинальный и эффективный метод, использующий концепцию «клонирования» – производства нанотрубок, воспроизводящих свойства исходных «родительских» структур.

В качестве «зародышевых» фрагментов ученые использовали ОУНТ с открытыми концами, при этом формирование новых наноструктур происходит в процессе непрерывного достраивания открытых концов на их матрице. В результате нанотрубки имеют ту же морфологию и хиральность, что и исходные фрагменты.

Этот метод позволяет ученым более пристально изучить также механизмы роста нанотрубок и других углеродных материалов, например, графена. Последний, по мнению ученых – вполне подходящий материал для высокопроизводительного клонирования из небольших графеновых листков.

Подробности новой методики описаны в журнале Nano Letters: сначала необходимо подготовить «родительские» структуры. Для этого на кремниевой или кварцевой подложке ученые вырастили ультра длинные (несколько десятков мкм) ОУНТ. Интересно отметить, что их рост ограничивается только физически: длиной подложки, горячей зоной печи и временем роста. Затем эти нанотрубки были разрезаны на фрагменты с помощью методов электронно-лучевой литографии (electron beam lithography, EBL), травления в кислородной плазме (oxygen plasma ion etching), и лазерного отделения (lift-off). Далее, полученные фрагменты прикрепляли к подложке методом осаждения из газовой фазы (CVD), в этот же момент происходило удаление активных функциональных групп (-COOH, -OH) с открытых концов нанотрубок. Материалом для достраивания нанотрубок служит метан и этилен, а процесс роста происходит в отсутствие металлического катализатора: роль катализатора выполняют сами нанотрубки.

Вторичный рост (достраивание) нанотрубок.

Длина нанотрубок – продуктов клонирования составляет несколько мкм; ученые объясняют этот показатель пространственными ограничениями на подложке и предлагают несколько изменить условия синтеза, проводя его в суспензии.

Важно, что метод оказался принципиально работающим, а увеличение его эффективности и «настройка» свойств продуктов синтеза – это задачи оптимизации. Например, изначально из 600 зародышевых ОУНТ было выращено только 9% клонированных нанотрубок. Изменение материала подложки на кварц увеличило выход до 40%.

Ученые утверждают, что сами нанотрубки – куда более подходящий катализатор для их же получения, чем наночастицы металлов: во-первых, они не агрегируют при высоких температурах, в то время как спекание металлических наночастиц приводит к увеличению диаметра нанотрубок; во-вторых, углеродные радикалы достраивают частицы в их изначальной хиральности; в-третьих, родительские ОУНТ являются шаблонами для получения морфологических копий нанотрубок.

Детальное изучение «клонированных» ОУНТ с помощью атомной силовой микроскопии и микро-резонансной рамановской спектроскопии подтвердило строгую идентичность продуктов синтеза и родительских нанотрубок. Контролируемая хиральность нанотрубок и однородность их форм являются очень желательными качествами в наноэлектронике.

Мария Костюкова