Первые наноматериалы и наноблоки.

Фулерены - это разновидность молекулы углерода (С₆₀), состоящая из 60 атомов, расположенных на сфере (рис 2).

Молекулы С₆₀ названы в честь архитектора-авангардиста Букминстера Фуллера. Структуры С₆₀ иногда называют “букки-болс”. Их шарообразное строение напоминает футбольный мяч. Молекулы С₆₀ могут образовывать кристаллы так называемых фуллеритов с гранецентрованной кубической решеткой и достаточно слабыми межмолекулярными связями. Межатомные полости фуллеренов могут заполняться посторонними атомами (щелочных металлов, этиленом и др.).

Число атомов в молекуле углерода может быть существенно больше 60-ти. Например, могут быть получены молекулы С_>1000000, представляющие собой однослойные трубки с диаметром 1.1 нм и длиной в несколько десятков микрон.

Такие трубки были обнаружены как побочные эффекты синтеза фулеренов С₆₀. Одностенная углеродистая нанотрубка представляет собой свернутая в виде цилиндра ленту с упаковкой атомов по типу графита.

Рис 2. Фулерен (букки-болс).

 

Как оказалось, на базе фуллеренов, легированных примесями (например, К, Rb, Cs и др), получаются наноматериалы с существенно различными, зачастую уникальными свойствами. Благодаря разнообразию присадок, число вариантов фуллереновыхматериалов (полупроводников, металлов, ферромагнетиков, полимеров) исчисляется тысячами, поэтому фуллеритовые соединения могут считаться строительными трёхмерными наноблоками.

Зависимости эл. свойств нанотрубок от геометрических параметров были предсказаны на основе квантово-химических расчётов их зонной структуры. Эти зависимости были экспериментально подтверждены в 1998 году. На основе нанотрубок можно строить компоненты (см, н-р, 3).

Рис 3. Изогнутая углеродистая трубка-диод.

На рис 11,7а,б показаны ещё два варианта использования нанотрубок - механический привод - шестеренка и зонд, полученный методом молекулярного моделирования.

В качестве зубьев шестеренок были использованы бензольные кольца, “приделанные”к углеродным нанотрубкам (рис 11.7 а). Такой механический привод обладает достаточной прочностью и прекрасно работает при частоте 10¹¹ оборотов в секунду. Помимо двигателей в литературе описаны насосы.

Зонд (рис 11.7 б) является устройством считывания информации из атомной памяти. Он состоит их нанотрубоки, на конец которой насажен фулерен, соединенный с молекулой пиридина. Органическая молекула пиридина имеет вид шестиугольного бензольного кольца, на одну из вершин которого “прикреплен” атом азота. Такой зонд “осматривает” поверхность алмазноподобной подложки.

На этой подложке записана информация. Алмазоподобная подложка сама по себе обычно покрыта слоем атома водорода. Часть этих атомов “искусственно” заменена атомами фтора, что и означает запись информации.

Взаимодействия пиридина с водородом и фтором настолько различаются, что эта разница без труда фиксируется туннельным микроскопом. Сканируя поверхность, СТМ считывает записанные предикаты.

Отсюда видна необходимость многозондовой системы сканирования. Работы в этом направлении уже дали первые результаты в виде решетки, состоящей из 12*12=144 зондов. Средства массовой информации сообщали в 2000 г, об экспериментальном образце, состоящем из 1024 зондов. Если группы зондов расположить, например, на расстоянии в два периода решетки кремния друг от друга (1 нм), то на чипе удастся разместить память объемом в несколько ТЕРАБАЙТ!!!

Таким образом, нанотрубки, из которых можно строить зонды для СТМ, а также электронные компоненты (рис3), имеют шансы стать материалами будущего.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить принцип работы молекулярного манипулятора.

2. Что из себя представляют собой фулерены?

3. В четь кого названы фуллерены?

4. Что из себя представляет собой букки-болс?

5. Для каких целей используется углеродистая трубка - зонд?

6. Объяснить два варианта использования нанотрубок.