Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др., вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования одностенных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости.

Структурные свойства:

упругие свойства; дефекты при превышении критической нагрузки:

— в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки — с образованием пентагона или септагона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, то есть с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга — это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.

открытые и закрытые нанотрубки

Электронные свойства графитовой плоскости:

Обратная решётка, первая зона Бриллюэна

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

Спектр в приближении сильной связи (См. более подробно Графен)

Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости k_x, k_y.

Дираковские точки (См. подробнее Графен)

Дираковские точки в периодически продолженном за пределы первой зоны Бриллюэна спектре графитовой плоскости

Графит — полуметалл, что видно невооружённым глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т. о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы, подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

SU(4) симметрия

Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку:

граничные условия Борна-Кармана
Эффективное уравнение Дирака
Металлические и полупроводниковые трубки
Поведение спектра при приложении продольного магнитного поля

Учёт взаимодействия электронов:

Бозонизация
Латтинжеровская жидкость
Разделение спина и заряда
Экспериментальный статус

Сверхпроводимость в нанотрубках:

Экспериментальный статус

Сверхпроводимость углеродных нанотрубок открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:

— отдельной одностенной нанотрубки диаметром ~1 нм;

— свёрнутого в жгут большого числа одностенных нанотрубок;

— также индивидуальных многостенных нанотрубок.

При температуре, близкой к 4 К, между двумя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обычных трёхмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным характером переноса (как, например, квантование сопротивления R: см. статью, опубликованной в Science ).

Оптические свойства нанотрубок:

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трём) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники

Возможные применения нанотрубок:

Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
Медицина (в стадии активной разработки).
Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.
Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные

чип собран из углеродных нанотрубок.

Получение углеродных нанотрубок:

В настоящее время наиболее распространённым является метод термического испарения графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 Торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок (deposit), в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см². В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 22-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, межэлектродное расстояние 1-2 мм. В процессе синтеза 50-90 % массы анода переосаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 10-20 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Её можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооружённым глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60 %.

Для разделения компонентов полученного углеродного материала используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифужной пробирки, а нанотрубки остаются диспергированными в суспензии. Затем нанотрубки промывают азотной кислотой, водой и окисляют в потоке воздуха и паров воды при температуре 700-750 °C в течение 5-30 мин. В результате такой обработки получается достаточно лёгкий и пористый материал, состоящий из многостенных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология описанного электродугового получения многостенных нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки — дорогой материал: один грамм многостенных нанотрубок стоит 10-20 долларов США.

Согласно публикации в журнале Nano Letters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались учёные по всему миру — технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.

Кроме того, китайские учёные использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена — это были зерна для затравки реакции. Также им пригодилась плёнка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, — для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.

Углеродные нанотрубки 3 (стр. 2 из 3)