Благодаря новому подходу, возможно, удастся избавиться еще от одного фактора, являющегося препятствием к применению нанотрубок в электронике – нанокольца-шаблоны теперь могут применяться для получения углеродных нанотрубок с заданным диаметром. Группа японских исследователей под руководством Кеничиро Итами (Kenichiro Itami) из Университета Нагойи смогла контролировать синтез углеродных нанотрубок, используя циклопарафенилен [cycloparaphenylene (CPP)] или шаблон из «углеродных наноколец» [1]. При этом нанокольцо определенного размера может задать диаметр синтезируемой нанотрубки.

Рис. 1. Углеродсодержащие фрагменты из горячего
потока этанола добавляются к циклопарафениленовому
кольцу, что приводит к росту нанотрубок. (Рисунок из
Nat Chem, 2013, DOI: 10.1038/nchem.1655).

Несмотря на то, что история открытия и исследования свойств одностенных углеродных нанотрубок насчитывает уже более двух десятилетий, до сих пор в процессе синтеза этих объектов получается полидисперсная смесь нанотрубок, разные компоненты которой проявляют различные электрические свойства – металлические или полупроводниковые.

Особенно высокой полидисперсностью отличаются углеродные нанотрубки, которые получают с помощью обычного коммерчески доступного подхода – химического осаждения паров [chemical vapour deposition (CVD)], который заключается в нагревании паров этанола или метана при температуре выше 1000°C. C помощью химического осаждения паров удеается получить лишь смесь, в которой нанотрубки различаются диаметром, количеством стен и хиральностью, что не позволяет использовать продукты такой реакции для высокоточных электронных приложений.

В последние годы исследователи нащупали способы влияния на состав и свойства углеродных нанотрубок, выращивая их с помощью шаблонов. В 2009 году исследователям из Китая удалось найти способ удлинения коротких нанотрубок с одновременным контролем их хиральности [2]. Исследователи помещали трубку на поверхность кварца, обрабатывали ее метаном, нагретым до 900°C и наблюдали ее рост с другого, незакрепленного конца.

Исследователи из группы Итами предположили, что в качестве шаблона можно использовать циклопарафенилены. Синтезировав ряд циклопарафениленов и родственных им молекул, химики нанесли наномолярные количества двух образцов циклопарафенилена на небольшие фрагменты сапфира. Затем на этих шаблонах они выращивали нанотрубки с помощью обработкой парами этанола при высокой температуре в условиях, сходных с условиями химического осаждения паров. Итами подчеркивает, что

несмотря на то, что нагревание до 500°C не является обычным для химиков-органиков и органических соединений, было показано, что использование меньших температур не приводит к эффективному получению нанотрубок.

Химики из Нагойи использовали циклопарафениленовые шаблоны, содержащие девять и двенадцать связанных бензольных колец; диаметр таких наноколец составлял 1,2 и 1,7 нанометров соответственно. В обоих случаях основными продуктами реакции были однородные одностенные углеродные нанотрубки, диаметр которых был слегка больше диаметра шаблонов. С помощью спектроскопии комбинационного рассеивания в реакционной смеси было также зафиксировано наличие многостенных углеродных нанотрубок, однако из-за их небольшого количества исследователям даже не удалось определить их точных выход.

Итами заявляет, что

исследователи из его группы сделали только первый шаг – для коммерческого производства углеродных нанотрубок с помощью нового способа еще потребуются дополнительные годы работы, однако, в идеале, по его словам, метод использования шаблонов сможет революционизировать получение этих важных материалов.

Источники:

[1] Nat Chem, 2013, DOI: 10.1038/nchem.1655;

[2] Nano Lett., 2009, 9, 1673 (DOI: 10.1021/nl900207v).