XI Международная конференция по науке и применению нанотрубок «NT2010», проходившая в городе Монреаль провинции Квебек (Канада) с 27 июня по 2 июля 2010 года, собрала более 700 участников, работающих в области исследования, получения и применения нанотрубок и родственных им материалов.

В ряду приглашенных докладчиков значились имена Милдред Дрессельхаус (Массачусетский технологический институт, США), Фаэдона Авориса (Исследовательский центр IBM, США), Ричарда Мартела (Университет Монреаля, Канада), Андре Гейма (Университет Манчестера, Великобритания) и других представителей ведущих научных групп в области исследования нанотрубок и их применения. Российские участники представили около 10 докладов как из области теоретических расчетов свойств нанотрубок, так и разработок, направленных на их применение: сотрудники Московского государственного института электронной техники выступили с докладами в области методов создания и исследования элементов электроники на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и графеновых структур; сотрудники РНЦ «Курчатовский институт» представили результаты исследований механизмов роста, а также моделирования транспортных и эмиссионных свойств углеродных наноструктур.

Российские участники представили около 10 докладов из области теоретических расчетов свойств нанотрубок

Цель проведения конференции NanoTubes – освещение научного прогресса и стимулирование свободного обмена идеями в области исследования нанотрубок и графена. При этом последний вызывает интерес все большего числа участников, что, в частности, выразилось в проведении в рамках конференции I Школы-семинара по графену.

Большое впечатление на участников конференции произвели достижения в области технологии получения наноуглеродных материалов в макроскопических количествах. При этом развитие технологий идет как в отношении количества, так и качества производимых материалов. Так, M. Эндо из Университета Шиншу, Япония, сообщил о создании завода по производству многослойных углеродных нанотрубок с годовым объемом на уровне 1000 тонн. Возникающие при этом проблемы стандартизации продукции остаются вызовом для технологов. В соответствии с современными тенденциями, при развитии технологий получения наноматериалов в больших количествах учитываются экологические аспекты. Так, обращает на себя внимание сообщение К. Гингстона из Национального исследовательского совета Канады, который в качестве сырья для синтеза однослойных углеродных нанотрубок использовал биологические отходы. Наряду с количественными показателями происходит непрерывное совершенствование образцов. Так, методами химического осаждения из газовой фазы уже получены пленки графена размером до 50 см (Ю. Лин, Исследовательский центр IBM, США). Еще один рекорд установлен сотрудниками Университета Синь-хуа (Китай), которым удалось вырастить двух- и трехслойные углеродные нанотрубки длиной до 20 см (У. Киан и др.).

На Конференции нашла свое отражение высокая активность исследований, направленных на использование углеродных наноматериалов в медицине и фармакологии. Здесь можно выделить два основных направления работ, одно из которых связано с использованием нанотрубок и родственных структур в качестве носителя лекарственных препаратов, доставляющих нужные молекулы в заданную точку организма. Другое направление касается применения нанотрубок в качестве диагностического средства, физические характеристики которого изменяются в результате присоединения молекул или радикалов определенного типа, – например, антигенов или антител. Наряду с этим в области биологии и медицины широко развивается направление, связанное с исследованием взаимодействия клеточных структур с подложками из нанотрубок при регенерации тканей, в частности нервных. В этом случае, создав предварительный рисунок из нанотрубок, можно задавать геометрию роста клеток (Э. Флахат, Университет Тулузы, Франция). Естественно, в ряде случаев медицинских и биологических приложений необходимо удаление из организма исполнивших свою роль нанотрубок (например, при доставке лекарств). Несомненно, важное достижение в данном направлении – разработка методов биодеградации нанотрубок с использованием пероксидазы хрена (А. Стар, Университет Питтсбурга, США). Данный фермент в растворе перекиси водорода при температуре 4 °С в течение двух месяцев способен полностью разложить нанотрубки.

Несмотря на обозначившиеся технологические трудности, затормозившие процесс внедрения нанотрубок в функциональные элементы электроники, создатели лабораторных транзисторов на основе нанотрубок демонстрируют впечатляющие результаты. В частности, ключевой проблемой использования УНТ в электронике является сложность разделения материала нанотрубок по свойствам: полупроводниковым и металлическим. Предлагаются методы центрифугирования, жидкостного (К. Ихара, Исследовательский центр по нанотрубкам, Япония) и гель-электрофореза (Х. Лиу, Исследовательский центр наносистем, Япония). Продемонстрировано достижение тактовой частоты работы транзистора на основе 99 % полупроводниковых нанотрубок до 80 ГГц (Ф. Аворис). Совместные исследования российских (РНЦ «Курчатовский институт») и американских ученых позволили наблюдать управление проводимостью нанотрубок в магнитном поле при температуре от 11 до 150 К и в полях от 3 до 30 Тл (Г. Федоров).

Большой интерес участников конференции вызвали сообщения, посвященные разработке методов формирования прозрачных проводящих пленок на основе нанотрубок, которые могут найти широкое применение в качестве элементов сенсорных дисплеев, гибких экранов и солнечных батарей. При этом работы проводятся широким фронтом: различные группы разрабатывают методы на основе химического осаждения из газовой фазы, нанесения из растворов и с использованием принтера. В частности, ученые из Корейского института электронных технологий предложили разработанную ими систему печати с использованием нанотрубочных чернил для создания полевых эмиттеров и акустоэлектрических сенсоров.

Одним из отдельно развивающихся направлений применения электронных свойств нанотрубок является создание сенсоров, в которых нанотрубки одновременно будут выполнять роль как чувствительного слоя, так и трансдьюсера. Эти разработки стимулировали проведение исследований транспортных характеристик (теплопроводность, электропроводность) углеродных нанотрубок в зависимости от типа и количества присоединенных и/или сорбированных радикалов (К. Блэйз и др., Институт Нееля, Франция). Наряду с подобными исследованиями повышение селективности и чувствительности сенсоров требует разработки методов функционализации нанотрубок. Здесь помимо использования химической обработки с целью присоединения простых функциональных групп применяется также ДНК-декорирование чувствительного углеродного слоя. Представляется перспективным также предложение покрывать нанотрубки обонятельными рецепторами, сопряженными с G-белком (Б. Голдсмит, Университет Пенсильвании, США). Такие рецепторы были выделены из обонятельных органов крыс и позволили существенно повысить селективность сенсоров на основе нанотрубок.

В то время как физики и химики бьются над проблемой выделения нанотрубок с необходимыми свойствами, группа Ж. Занга (Пекинский университет, Китай) предложила метод «клонирования» нанотрубок. Было показано, что перерезанные нанотрубки с открытыми концами могут быть регенерированы непосредственно на подложке. При этом выросшая новая часть трубки обладает теми же параметрами хиральности и диаметром, что и исходный участок. Данная разработка открывает путь к созданию массивов идентичных нанотрубок непосредственно в составе функциональных элементов электроники.

Аномально высокие механические характеристики УНТ, установленные в результате многочисленных экспериментов, внушили исследователям оптимизм в отношении использования нанотрубок для повышения прочностных свойств композитных материалов на основе полимеров. Однако исследования показали, что этот оптимизм оказался преждевременным в связи с проблемой сопряжения нанотрубки с материалом в полимерной матрице. В отсутствии такого сопряжения введение УНТ в полимер практически не повышает его механические характеристики, поскольку нанотрубка в таком материале ведет себя подобно волосу в пироге, свободно передвигаясь внутри материала. Несмотря на эту очевидную трудность, исследования механических свойств композитов на основе полимеров с добавлением УНТ продолжаются, хотя результаты таких исследований нельзя назвать впечатляющими. Так, в докладе Т. Яшихара и др. из Токийского технологического института сообщается об эффекте увеличения на 45 % модуля Юнга полимерного материала в результате добавления 1 % (по массе) однослойных нанотрубок. С целью увеличения сцепления поверхности нанотрубки с материалом полимерной матрицы авторы использовали нанотрубки длиной до 1 мм. Можно полагать, что более значительный эффект будет достигнут в результате разработки метода химического соединения поверхности нанотрубки с материалом полимерной матрицы.

Особое место в семействе наноуглеродных материалов занимает графен, представляющий собой двумерную гексагональную структуру, выложенную атомами углерода. Открытые недавно (2004) подходы к выделению и идентификации графена проложили путь к исследованию его электронных и транспортных характеристик, а также к установлению возможностей прикладного использования. По своим уникальным электронным и транспортным свойствам графен сравним, а в некоторых отношениях даже превосходит УНТ. Хотя на данный момент не очевидны преимущества графена перед полупроводниковыми нанотрубками для применения в области цифровой электроники, графен рассматривается в качестве перспективного материала для аналоговой электроники – средств телекоммуникации, отображения информации. Это обусловлено конечным соотношением токов включения и выключения (не превышающим 100:1) в сочетании с высокой подвижностью носителей заряда и токами пропускания.

В целом на основе представленных докладов можно заключить, что мы переживаем подлинный бум активности, направленной на получение, исследование и прикладное использование углеродных наноструктур и материалов на их основе. При этом можно выделить несколько прикладных направлений, в которых такие исследования могут завершиться технологическим прорывом уже в ближайшее время.

В биологических и медицинских приложениях нанотрубки позволят разработать системы регенерации тканей живых организмов или восстановления их свойств. Второе направление – доставка лекарств и бактерицидные свойства. При этом токсическое воздействие нанотрубок в количествах, необходимых для проведения данных операций, не обнаружено.

Уже в ближайшее время следует ожидать на рынке гибкие дисплеи, сенсорные экраны и солнечные батареи, созданные с применением сеток нанотрубок и/или графеновых листов.

Автор: И.И. Бобринецкий, А.В. Елецкий

Журнал «Российские нанотехнологии» № 9–10 2010 год.