Проблемы разделения и обогащения однослойных углеродных нанотрубок

 


Благодаря хорошим механическим и электрическим характеристикам, а также высокой термической и химической стабильности углеродные нанотрубки (УНТ) являются привлекательным объектом для наноэлектроники. Однако, как известно, электронные характеристики УНТ существенно зависят от их диаметра и хиральности (угол ориентации графитовой плоскости, из которой составлена нанотрубка, по отношению к оси УНТ).

Поскольку традиционные способы синтеза УНТ в макроскопических количествах приводят к получению целого набора нанотрубок с различными параметрами, для практического их использования в наноэлектронике необходимо решить проблему разделения нанотрубок по диаметрам и хиральностям, а, следовательно, по их электронным характеристикам. К настоящему времени в результате усилий, предпринимаемых во многих лабораториях мира, наметилось несколько эффективных подходов к решению этой проблемы. Краткий обзор таких подходов опубликован недавно одним из сотрудников Северо-западного университета штата Иллинойс (США).

Один из наиболее эффективных подходов к решению проблемы разделения УНТ основан на использовании химических реакций, селективных по отношению к диаметру или хиральности нанотрубок. В результате проведения селективных реакций присоединения различных радикалов к УНТ образуются функционализованные нанотрубки, размер и масса которых существенно отличается от нанотрубок, невступивших в реакцию. Дальнейшее отделение таких УНТ производят стандартными методами ( центрифугирование, электрофорез и/или хроматография). В качестве селективных реакций используют процессы ковалентного присоединения радикалов к боковой стенке УНТ; ковалентное присоединение к дефектам или открытым концам нанотрубки; нековалентное инкапсулирование УНТ внутрь поверхностно-активного вещества; нековалентное облачение нанотрубки в полимерную оболочку; заполнение внутренней полости нанотрубки молекулярным веществом. При этом наиболее высокую селективность демонстрирует процесс ковалентного присоединения радикалов к боковой стенке УНТ. Так, присоединение к металлической УНТ радикалов на основе диазония делает ее селективно растворимой в тетрагидрофуране, что позволяет выделить нанотрубки с металлическими характеристиками из общего массива УНТ.

Интересной разновидностью реакций, селективных по отношению к диаметру и хиральности УНТ, являются реакции, инициируемые светом. Здесь селективность достигается благодаря зависимости сечения возбуждения оптических переходов УНТ от их диаметра. Примером такой реакции, может служить инициируемая УФ излучением реакция разрушения полупроводниковой нанотрубки в результате взаимодействия с молекулой перекиси водорода.

Другой класс процессов, способствующих селективному отбору нанотрубок с желаемыми характеристиками, включает в себя процессы селективного разрушения нежелательных компонент. Примерами таких процессов могут служить: селективное окисление УНТ малого диаметра и с большими углами хиральности, наблюдаемое в атмосфере кислорода или фтора; селективное травление металлических УНТ большого диаметра в плазме углеводородов, приводящее к уменьшению разброса диаметров УНТ до 0.3 нм; селективное разрушение металлических УНТ в результате оптического облучения либо протекания электрического тока.

Для разделения УНТ эффективно используют подходы, нашедшие свое развитие в биологии при разделении биомолекул, размеры которых сопоставимы с размерами нанотрубок. При этом стандартным методом разделения является электрофорез, в основу которого положена различие подвижности молекул в геле или растворе от их массы в присутствии постоянного электрического поля. Интересной разновидностью электрофореза является диэлектрофорез, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости УНТ в переменном электрическом поле от их электронных характеристик.

Хроматографические методы разделения УНТ, также широко используемые в биохимии для разделения биомолекул, основаны на различиях в сорбционных свойствах нанотрубок, обладающих различными электронными характеристиками. В этом плане наиболее привлекательным представляется подход, основанный на использовании молекул ДНК в качестве инкапсулирующего агента. При таком подходе однослойные УНТ малого диаметра (< 1,2 нм) в водном растворе селективно инкапсулируются внутрь ДНК. Качество селекции существенно зависит от типа используемых молекул ДНК.

Большие надежды в плане решения проблемы разделения и обогащения УНТ авторы обзора возлагают на реализацию процедуры селективного роста нанотрубок определенного сорта. Эта цель частично достигается в результате тщательного контроля температуры и давления синтеза; а также правильного выбора типов углеродсодержащего вещества и катализатора. Установлено, что использование катализаторов определенного сорта (например, сплавы на основе CoMo и FeRu) приводит к значительному сужению функции распределения УНТ по диаметрам (до 1,2 нм). Кроме того, представляется перспективным использование зародышевых нанотрубок для реализации эпитаксиального роста УНТ с определенными характеристиками.

Следует отметить, что, несмотря на значительное количество ярких идей и интересных подходов, проблема селекции и разделения УНТ по электронным свойствам остается одним из серьезных вызовов на пути развития наноэлектроники, основанной на углеродных наноматериалах.


Источник: NanoNewsNet