Нанотрубки с характером

Ученые лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» в составе международного исследовательского коллектива доказали возможность изменения структурных и проводящих свойства нанотрубок путём их растяжения.

Это потенциально может позволить расширить области их применения в электронике и высокоточной сенсорике, например, микропроцессорах и высокоточных датчиках. Статья о проведенном исследовании опубликована в журнале Ultramicroscopy.

Углеродная нанотрубка может быть представлена в виде свёрнутого особым образом листа графена. Существуют различные способы «сворачивания», благодаря которым края графена соединяются между собой под разными углами, образуя в итоге кресельные, зигзагообразные или хиральные нанотрубки.

Нанотрубки, обладая высокой электропроводностью, считаются перспективным материалом для использования в электронике и сенсорике, например, в микропроцессорах и высокоточных датчиках. Однако на этапе производства углеродных нанотрубок очень трудно контролировать их проводимость. В одном массиве могут вырасти нанотрубки и с металлическими, и с полупроводниковыми свойствами. При этом, например, микропроцессорная электроника требует только полупроводниковых нанотрубок, имеющих одинаковые характеристики.

Ученые лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» вместе с научным коллективом из Японии, Китая и Австралии, возглавляемым профессором Дмитрием Гольбергом, предложили способ, позволяющий модифицировать структуру уже готовых нанотрубок и изменять таким образом их проводящие свойства.

«Основа нанотрубки – свёрнутый слой графена – представляет собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода. Если одну из углеродных связей в нанотрубке повернуть на 90°, вместо шестиугольников на этом месте сформируются пятиугольник и семиугольник, и получится так называемый дефект Стоуна-Уэйлса. Такой дефект может возникнуть в структуре, при определённых условиях, – рассказывает Павел Сорокин, доктор физико-математических наук, доцент, научный руководитель инфраструктурного проекта «Теоретическое материаловедение наноструктур» лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС». – Еще в конце 90-х было предсказано, что миграция этого дефекта по стенкам сильно нагретой нанотрубки при приложении к ней механического напряжения может привести к изменению её структуры – последовательной смене хиральности нанотрубки, что ведёт к изменению её электронных свойств. Ранее не было получено экспериментальных подтверждений этой гипотезы. В данной работе представлено её убедительное доказательство».

Ученые лаборатории «Неорганические наноматериалы» провели моделирование эксперимента на атомном уровне. Сначала нанотрубки удлинялись до образования первого структурного дефекта, состоящего из двух пятиугольников и двух семиугольников (дефект Стоуна-Уэйлса), который  при продолжительном удлинении трубки начинал «расползаться» в стороны, перестраивая другие углеродные связи. Именно на этом этапе происходило изменение структуры нанотрубок. При дальнейшем удлинении начинали формироваться все новые и новые дефекты Стоуна-Уэйлса, приводя в конечном итоге, к изменению проводимости нанотрубок.

«Мы со своей стороны отвечали за теоретическое моделирование процесса на суперкомпьютере в лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов», а зарубежные коллеги – за экспериментальную часть работы. Мы очень рады, что результаты моделирования хорошо совпали с экспериментальными данными», – дополняет соавтор работы, кандидат физико-математических наук Дмитрий Квашнин, научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС».

Предложенная учеными технология способна помочь в преобразовании структуры «металлических» нанотрубок для их последующего применения в полупроводниковой электронике и сенсорике – например, для микропроцессоров и сверхчувствительных датчиков.

О НИТУ «МИСиС»

НИТУ «МИСиС» в 2018 году отмечает 100-летие со дня основания Московской горной академии, преемником которой является. Сегодня это — один из наиболее динамично развивающихся научно-образовательных центров страны. Находясь в числе лидеров технологического образования России, НИТУ «МИСиС» также представляет собой полноценный научный центр. Университет входит в предметные рейтинги THE, QS и ARWU сразу по шести направлениям, занимая 30-е место в мире по направлению «Инжиниринг – Горное дело» и входя в топ-100 в категории «Инжиниринг – Металлургия».

Стратегическая цель НИТУ «МИСиС» к 2020 году укрепить лидерство по направлениям специализации:  материаловедение, металлургия и горное дело, а также существенно усилить свои позиции в сфере био-, нано- и ИТ-технологий. В состав университета входит 9 институтов, 5 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В НИТУ «МИСиС» обучаются более 17000 студентов из 69 стран мира. В университете действуют более 30 лабораторий и 3 инжиниринговых центра мирового уровня, в которых работают ведущие ученые России и мира. НИТУ «МИСиС» успешно реализует совместные проекты с крупнейшими российскими и зарубежными высокотехнологичными компаниями.

 

 

 

 

Похожие записи