Физики из Университета Райса теоретически показали, что край нанотрубки, растущей на подложке, напоминает «Двуликого Януса»: сторона нанотрубки, повернутая к подложке, напоминает обломанные зубья пилы, тогда как на противоположной стороне атомы выстроены в зигзаг. Ранее считалось, что области такой формы периодически сменяют друг друга. Статья опубликована в ACS Nano.
Чтобы получить углеродную нанотрубку, нужно свернуть лист графена в цилиндр и склеить его края. Поскольку графен состоит из шестиугольных сот, такая склейка возможна только при определенных диаметрах трубки, при которых шестиугольники одного края в точности прилегают к шестиугольникам противоположной стороны. Поэтому склейка будет успешной только в том случае, если сворачивать лист вдоль вектора, построенного из целого числа векторов кристаллической решетки: C = na1 + ma2. Зная этот вектор, легко рассчитать диаметр нанотрубки и угол спиральности (helicity angle, угол, под которым скручивают трубку).
Взаимодействие нанотрубки с другими материалами определяется формой ее края, которая зависит от способа сворачивания. В частности, от этой формы зависят электрические, механические и оптические свойства нанотрубки. Легко проверить, что край представляет собой ломанную линию, которая содержит m звеньев типа A, напоминающих обломанный зуб пилы, и (n—m) звеньев типа Z, в которых атомы выстроены зигзагообразно. Большинство теоретических исследований нанотрубок считают, что звенья смешиваются и постоянно сменяют друг друга, так что край получается простым обрезанием листа графена вдоль вектора C. Тем не менее, на практике это соображение до сих пор никто не проверял.
Группа ученых под руководством Бориса Якобсона впервые рассчитала форму, при которой край нанотрубки имеет минимальную энергию, и неожиданно обнаружила, что интуитивно верная форма является оптимальной только для свободной нанотрубки. Если же прикрепить ее к жесткой подложке, звенья перестроятся и полностью разделятся. В результате край превратится в «Двуликого Януса», который прикреплен к подложке звеньями типа A, а звенья типа Z свободно болтаются с противоположной стороны. По словам ученых, этот результат можно было ожидать, поскольку при такой форме края контакт между нанотрубкой и подложкой максимален, а следовательно, максимальна и энергия их связи. При этом от угла спиральности трубки зависело только число звеньев, но не способ их соединения.
Чтобы рассчитать энергию связи нанотрубки и подложки, ученые поместили атомы подложки в потенциал Морзе с характерной длиной взаимодействия a. Чем больше a, тем меньше допустимое отклонение атомов подложки, то есть тем она жестче. Оказалось, что для податливой подложки с a a > 0,15 постепенно начинает побеждать «двуличный» край (сначала при нескольких углах спиральности, потом при всех). При этих расчетах физики считали субстрат непрерывным.
Наконец, физики проверили оправданность последнего предположения, повторив расчеты для четырех реальных подложек — мягкой подложки из карбида вольфрама (WC) и трех жестких подложках из вольфрамида кобальта (Co7W6), металлического никеля и кобальта. На этот раз исследователи численно рассчитывали энергию связи в рамках теории функционала плотности. Тем не менее, эти расчеты подтвердили, что для всех твердых подложек и всех углов спиральности «двуликая» конфигурация энергетически выгоднее традиционного края. Единственным материалом, для которого закономерность была обратной, оказался мягкий карбид вольфрама.
Авторы статьи надеются, что их работа поможет лучше понять, как нанотрубки растут на катализаторах. Может быть, в будущем эти идеи даже помогут управлять ростом трубок.
В настоящее время физики активно исследуют возможности углеродных нанотрубок. Например, в сентябре 2016 года физики из Университета Висконсина впервые изготовили из нанотрубок транзистор, который обошел по своим характеристикам современные кремниевые транзисторы. В октябре того же года ученые из Университета штата Пенсильвания научили нанотрубки ловить вирусы. В сентябре 2017 исследователи из Массачусетского технологического института с помощью нанотрубок упростили процесс изготовления стеклоуглерода. А в октябре 2018 физики из Китая, Японии, России и Австралии научились переключать свойства нанотрубок с металлических на полупроводниковые, растягивая и нагревая их с помощью электрических импульсов.
Дмитрий Трунин
