Однослойные нанотрубки и хиральность

Идеальная нанотрубка — это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов. Взаимная ориентация гексагональной сетки графита и продольной оси нанотрубки определяет очень важную структурную характеристику, которая получила название "хиралъность".На рис. 2.3 показано, каким образом могут быть образованы однослойные нанотрубки путем свертывания гексагональной сетки графита [10]. Направление свертывания вектора С определяется относительным местоположением двух гексагональных ячеек: одна из них берется за начало координат (0,0), а местоположение другой ячейки определяется двумя целыми числами (и, т) с единичными векторами a₁ и a₂ (С = na₁ + ma₂). В приводимом на рисунке примере свертывания гексагональной сетки можно осуществить вдоль направления, соединяющего начало координат (0,0) и точкой С с координатами (11,7). Имеется очень много вариантов свертывания нанотрубок, но среди них выделяются те, реализация которых не приводит к искажению структуры гексагональной сетки при скручивании. К трубкам такого типа относятся трубки armchair (ковшик, гофр), если n = m, и трубки zigzag (зигзаг), если m = О. Все другие типы трубок являются хоральными (скрученными) и имеют углы свертывания θ c 0 < θ < 3θ, расположенными между направлением "зигзаг" и направлением ковшик (гофр)". Эти направления отмечены линиями, состоящими из точек. Пунктирная линия, перпендикулярная вектору С, является направлением оси трубки (вектор Т).

Рис. 2.3. Модель образования нанотрубок с различной хиральностью при свертывании в цилиндр гексагональной сетки графита (а) и картины атомного разрешения с помощью СТМ отдельных однослойных углеродных нанотрубок (б).

Индексы хиральности однослойной нанотрубки определяют её диаметр D:

D =

где d₀ = 0,142 нм — расстояние между атомами углерода в гексагональной сетке графита. Таким образом, зная D, можно определить хиральность нанотрубки.

Особое место среди однослойных нанотрубок занимают нанотрубки с хиральностью (10,10). В нанотрубках такого типа две из С — С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической проводимостью. Теоретические расчеты показывают также, что нанотрубки с подобной структурой обладают повышенной стабильностью и должны преобладать над трубками другой хиральности при образовании однослойных нанотрубок. Недавно [11] при облучении поверхности графита с никелевым катализатором двумя лазерными пучками был осуществлен синтез нанотрубок диаметром 1,36 нм и длиной несколько сот нанометров, обладающих металлической проводимостью. Такие нанотрубки с хиральностью (10,10) образуют жгуты диаметром от 5 до 20 мкм, свернутые в клубки и запутанные причудливым образом. Разделение и детальный анализ показали, что 44 % нанотрубок имели хиральность (10,10), 30 % — (11,9) и 20 % — (12, 8), т.е. термодинамические расчеты подтверждены экспериментально.

Многослойные нанотрубки

Многослойные нанотрубки углерода отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок показаны на рис. 2.4. Структура, представленная на рис. 2.4,а, получила название "русская матрёшка". Она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Структура, показанная на рис. 2.4,б, напоминает скатанный рулон или свиток. Для рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, равно 0,34 нм.

По мере увеличения числа слоев в нанотрубке все в большей степени проявляются отклонения от идеальной цилиндрической формы. В некоторых случаях внешняя оболочка приобретает форму многогранника. Иногда поверхностный слой представляет собой структуру с неупорядоченным расположением атомов углерода. В других случаях на идеальной гексагональной сетке внешнего слоя нанотрубки образуются дефекты в виде пятиугольников и семиугольников, приводящие к нарушению цилиндрической формы. Наличие пятиугольника вызывает выпуклый, а семиугольника — вогнутый изгиб цилиндрической поверхности нанотрубки. Подобные дефекты ведут к формированию изогнутых и спиралевидных нанотрубок, которые в процессе роста извиваются, скручиваются между собой, образуя петли и другие сложные по форме протяженные структуры.

Рис. 2.4. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а — "русская матрёшка"; б — свиток