Группа по нанокомпозитам, входящая в отдел физики атомного ядра НИИЯФ МГУ, занимается разработкой методов синтеза углеродных нанотрубок и исследует возможности применения углеродных нанотрубок. Более подробно о работе в этом направлении рассказал руководитель группы доктор физико-математических наук, профессор Николай Гаврилович Чеченин.

Николай Гаврилович, расскажите о своих исследованиях углеродных нанотрубок

Пожалуй, начну с понятий. Углерод – один из наиболее важных элементов. Он содержится в нашем организме, его в нас – около 21 процента. Всё, что нас окружает, тоже состоит из углерода: живой и неживой органический мир. Меня поражает многообразие форм, в которых встречается углерод. Только в чистом виде, без участия других элементов, углерод встречается в большом количестве модификаций или, как говорят, аллотропных форм. Среди них наиболее известны всем – графит (из него делают стержни карандашей), уголь, алмаз. Углерод в чистом виде обладает одной из удивительных модификаций – углеродными нанотрубками, сокращённо УНТ. Это, когда атомы углерода связаны в длинную молекулу, образующую цилиндрическую трубку. Она бывает одностенной и многостенной. Многостенная состоит из нескольких трубок, вложенных одна в другую. Их может быть до десятков. Получается такая матрёшка.

Так вот мы исследуем структуру получаемых углеродных нанотрубок с помощью электронной микроскопии – просвечивающей и сканирующей. Исследуем их оптические свойства с помощью комбинационного рассеяния света, изучаем электрические и тепловые свойства.

На основе этих исследований мы синтезируем углеродные нанотрубки с различными полимерами. Проще говоря, смешиваем углеродные нанотрубки с растопленным полимером. В итоге получаем композит. Углеродные нанотрубки в полимере выступают в качестве наполнителей, которые образуют своего рода арматуру. Она придаёт совершенно не характерные для полимера свойства – электропроводность, теплопроводность, прочность, твёрдость. Вот эти свойства, точнее возможность их получения в композите, являются предметом наших разработок и исследований. В настоящее время мы добились увеличения электропроводности полимерного композита на 11–13 порядков величин!

Как Вашей группе удалось этого добиться?

Дело в том, что углеродные нанотрубки имеют одну из самых высоких электро- и теплопроводностей. Мы сохранили эти свойства в полимерном композите благодаря тому, что углеродные нанотрубки образуют в нём нечто вроде проводящей сетки, которая и обеспечивает проводимость материала в целом.

Увеличение электропроводности эпоксидной смолы (ER) добавлением вертикально ориентированных УНТ (композит ER/VANTs) и горизонтально ориентированных УНТ (композит ER/HANTs). Из статьи N.G. Chechenin et al Appl. Surf. Sci. (2013) v. 275, p. 217–221

Каким образом осуществляете синтез углеродных нанотрубок с полимерами?

В нашей группе мы разработали такие методы синтеза углеродных нанотрубок с полимерами, как метод электро-дугового осаждения, осаждения в тлеющем разряде, пиролитическое газофазное осаждение. При всём различии подходов их объединяет одно – мы должны сначала разрушить соединение, содержащее углерод, например, молекулы газа ацетилена, а затем использовать освободившийся углерод для строительства углеродных нанотрубок. При этом подбираются такие режимы, как температура, давление в реакторе, скорость потока углеродосодержащего газа, чтобы формировались только углеродные нанотрубки без примеси углерода других модификаций, или аллотропных форм. После этого выращенные углеродные нанотрубки смешиваем с полимером.

В чём преимущество этих методов?

Используя эти методы мы выращиваем достаточно большие массивы углеродных нанотрубок. Причём вертикально, то есть перпендикулярно поверхности подложки. Эти массивы называются «лесами» углеродных нанотрубок. А выращиваем вертикально за счёт того, что катализатор подаётся непрерывно в течение всего процесса. Катализатором является железо, входящее в состав ферроцена, который разлагается, высвобождая атомы железа, они конденсируются на подложке и стимулируют рост углеродных нанотрубок.

Как осуществляется самоорганизация углеродных нанотрубок?

До конца механизм, определяющий рост углеродных нанотрубок, не ясен. При определённых режимах температуры и подачи рабочих газов в реактор массив зарождающихся углеродных нанотрубок становится достаточно плотным. По-видимому, высокая плотность предопределяется за счёт того, что нанотрубки связываются между собой отростками, которые образуются на их поверхности. Кроме того, отростки удерживают нанотрубки на расстоянии друг от друга, не позволяя им ни слипаться, ни резко изгибаться при одновременном однородном по высоте росте всего массива трубок.

Вы получаете прямолинейные углеродные нанотрубки?

В традиционных методах углеродные нанотрубки свёртываются в клубки, либо сворачиваются в крутую спираль. В нашем методе с непрерывной подачей катализатора во время пиролиза углеродные нанотрубки имеют хотя и не совсем прямолинейную, но всё же более стройную форму. Трубки могут формировать колонны, но не сфероподобные агломераты, то есть слипания друг к другу. Наши углеродные нанотрубки используются в виде массивов. Так что не требуется каких-то дополнительных мер по расформированию агломератов углеродных нанотрубок. Вопрос может возникнуть, если возникнет задача использования единичных углеродных нанотрубок. В этом случае мы будем решать проблему их выделения в зависимости от того, какие характеристики мы ожидаем получить. Пока такая проблема не стоит.

Каков размер углеродных нанотрубок?

В своей лаборатории мы получаем углеродные нанотрубки, преимущественно многостенные. Их внешний диаметр от 15 нанометров, внутренний – около 5 нанометров, длина до 2 миллиметров для трубок в массивах углеродных нанотрубок.

Насколько безопасны углеродные нанотрубки?

Вопрос о безопасности или опасности углеродных нанотрубок ещё не выяснен до конца, поэтому требуется соблюдение определённых мер. Если используются углеродные нанотрубки в виде порошка, то необходимо избегать его распыления. Работать под вытяжкой и в резиновых перчатках. То есть всё, как положено в химической лаборатории. Большая же часть работ в нашей лаборатории относится к углеродным нанотрубкам, выращенных на подложках. Например, вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, закреплены на, скажем, кремниевой подложке, или подложке другого материала. Они могут отделяться от подложки в виде некоторой достаточно толстой плёнки порядка 1 миллиметра толщиной. Так что распыление в этом случае не грозит. Тем не менее работать следует в резиновых перчатках.

Где могут быть использованы углеродные нанотрубки?

Полимерные композиты с углеродными нанотрубками имеют, как я уже говорил, ряд необычных свойств, благодаря которым они могут использоваться в качестве защитных покрытий. Композиты также имеют перспективу для использования в качестве лёгких ударостойких материалов, скажем, в бронежилетах. Исследуются возможности использования углеродных нанотрубок в качестве фильтрующих сред, используя такое важное свойство, как высокая химическая инертность. Интересны направления приложений в медицине, где углеродные нанотрубки могут служить контейнером для доставки по кровотокам в нужный орган или поражённую область этого органа активного медицинского реагента. Интересны возможности углеродных нанотрубок, в особенности одностенных углеродных нанотрубок, для наноэлектроники, для фотовольтаики и в массе подобных приложений. Многие из этих возможностей в настоящее время нами исследуются.