Ученые научились "клонировать" углеродные нанотрубки

Источник: nanonewsnet.ru

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 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.

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, травления в кислородной плазме, и лазерного отделения. 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.

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.