Как тюлевые занавески помогли учёным ЮФУ в создании новых материалов

В своём новом исследовании физики Южного федерального университета предложили, как искать органические молекулы и полимеры, пригодные для сортировки однослойных углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки (УНТ) — это синтезированные материалы, которые обладают уникальными прочностными, электрическими и тепловыми свойствами и имеют широкую область применения. УНТ привлекали внимание учёных ещё с момента выхода первых исследований в далёких 1950-х годах, но настоящий бум нанотрубок случился в 1991 году после работы Сумио Иидзимы, в которой он исследовал атомную структуру многостенных УНТ, доказав, что простейшая одностенная нанотрубка – это свернутая и соединенная без дефектов полоса из листа графена, состоящего из шестиугольных сот атомов углерода. Однако подобных различных трубчатых структур, даже если их диаметр ограничен несколькими нанометрами, могут быть сотни. Такое разнообразие возникает потому, что смежные соты в нанотрубке образуют винтовые спирали, и как шаг этих спиралей относительно оси нанотрубки, так и диаметр нанотрубок могут сильно меняться.

Независимо от своей структуры УНТ - жёсткие и прочные, их пучки обладают очень большой поверхностью на единицу объёма. Поэтому такие углеродные наноматериалы используют как для упрочнения разнообразных объектов, так и в аккумуляторах и других устройствах, в которых важно иметь большую площадь внутренней поверхности для осаждения ионов металлов. Однако структура УНТ полностью определяет её электронные, а также некоторые другие физико-химические свойства. Именно поэтому в таких областях, как микроэлектроника, солнечная энергетика и медицина требуются одностенные нанотрубки с определённой структурой. Например, металлические нанотрубки годятся как нанопроводники, а полупроводниковые – как нанотранзисторы и разнообразные нанодатчики.

При обычных способах синтеза одновременно образуется множество типов нанотрубок с разными диаметрами и структурой стенок. Синтезировать УНТ сразу с заданными свойствами сложно и трудоёмко. В то же время смесь нанотрубок с разной структурой получить гораздо проще. Сейчас такие смеси можно купить у многих производителей. Поэтому учёные активно разрабатывают технологии сортировки нанотрубок, которые имеют желательную (для определённого применения) структуру и, соответственно, физические свойства.

Работая над научным проектом, поддержанным грантом РФФИ, сотрудники Физического факультета ЮФУ ассистент кафедры теоретической и вычислительной физики Дарья Рошаль и ведущий научный сотрудник Ольга Коневцова под руководством д.ф.-м.н., профессора кафедры "Нанотехнология" Сергея Рошаля, предложили теорию, проясняющую физико-химические закономерности, возникающие при сортировке однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) теми органическими молекулами, которые самоорганизуются в регулярные покрытия как на нанотрубках, так и на графене.

Предложенная теория использует концепцию муаровых узоров (МУ), которые мы можем увидеть даже у нас дома, когда два слоя полупрозрачной оконной занавески накладываются друг на друга. В современной физике муаровые узоры (МУ) используются для интерпретации физических свойств многослойных структур. Однако, как показали сотрудники ЮФУ, подобный подход полезен для поиска органических молекул, подходящих для сортировки углеродных нанотрубок.

«Используя тот экспериментальный факт, что некоторые органические молекулы могут образовывать покрытия как на плоском графене, так и на нанотрубках, мы впервые свели условия успешной сортировки к анализу МУ, возникающему между слоями двустенных нанотрубок. Внешний слой в предложенной теории является виртуальным, и его структура определяется тем фактом, что рассматриваемы молекулы образовывают регулярное покрытие на плоском графене», — рассказал Сергей Рошаль.

По словам учёных, в этих трубках внутренний слой соответствует поверхности сортируемых ОУНТ. Внешний виртуальный слой представляет собой свернутую в трубку сотовую решётку, на поверхность которой можно спроецировать характерное для плоского случая расположение молекул.

«Мы также применили наш подход для объяснения результатов сортировки ОУНТ полимерами. Предположив, как остов полимера может располагаться на плоском графеновом слое, мы объяснили экспериментальные результаты сортировки ОУНТ цепочками полимерных молекул. Отметим, что наш подход может предсказать и другие органические молекулы, подходящие для эффективной сортировки УНТ», — отметила Ольга Коневцова, предложившая основную идею подхода.

Результаты исследования изложены в статье «Муаровые узоры и сортировка углеродных нанотрубок», опубликованной в научном журнале «Nano Futures».