Нанореволюция, порожденная углеродом
В 1985 году ученые сообщили об обнаружении клетке-подобной молекулы углерода C 60 . Открытие проложило путь к таким материалам, как графен и углеродные нанотрубки, и стало вехой в появлении нанотехнологий.
Рисунок 1 | За последние 35 лет были обнаружены три основные наноразмерные углеродные структуры. а , в 1985 году Kroto et al. 1 сообщил об открытии молекулы C 60 . Он имеет клетчатую структуру, состоящую из 12 пятиугольных и 20 шестиугольных граней. b. После работы Крото и его коллег углеродные нанотрубки были впервые изготовлены 10 в 1991 году. Углеродные нанотрубки можно рассматривать как двумерную гексагональную решетку атомов углерода, которая свернута в полый цилиндр. c , в 2004 году ученые сообщили об изоляции графена 2 - одного слоя атомов углерода в двумерной гексагональной решетке.
Применительно к многогранникам, которые состоят только из пятиугольников и шестиугольников, эти правила подразумевают, что каждая такая замкнутая структура может содержать любое количество шестиугольников, но должна иметь ровно 12 пятиугольников. Также могут быть введены семиугольники, создающие отрицательную кривизну (поверхности в форме седла), но топологический эффект семиугольника отменяется эффектом пятиугольника. В середине восемнадцатого века швейцарский математик Леонард Эйлер предложил формулу 5 для этих геометрических правил, которые теперь глубоко проявились в наноразмерных масштабах в 60-х годах . Существуют также более крупные закрытые углеродные клетки (такие как C 70 и C 82 ), которые можно получить, просто добавив в клетку больше шестиугольников.
Семейство молекул C 60 и более стало известно как фуллерены после американского архитектора Бакминстера Фуллера. Фуллер прославился тем, что проектировал стабильные купола и здания 6, которые имеют формы, подобные форме C 60 . Соответствие было поразительным, хотя масштаб отличался примерно в 10 миллиардов раз. Так получилось, что семья C 60 получила свое имя (ее члены вполне могли называться soccerenes).
Открытие фуллерена Крото и его коллег застало врасплох других ученых. Первоначально было довольно много скептиков; многие думали, что C 60 был плоским, а не похожим на клетку. Однако это восприятие изменилось после работы немецкого химика Вольфганга Крэтшмера, американского химика Дональда Хаффмана и их учеников. В 1990 году этим исследователям удалось 7 изолировать молекулы С 60 от углеродной сажи в массе, что сделало это вещество доступным для крупномасштабных экспериментов.
Открытие фуллерена немедленно имело два главных последствия. Во-первых, фуллерены были использованы для синтеза большого разнообразия нетрадиционных материалов. Например, эндоэдралы 8 (фуллерены, которые содержат атомы металлов), твердые вещества, собранные в фуллерены, и сверхпроводящие фуллереновые материалы 9 были получены и охарактеризованы с возбуждением. Фуллерены рассматривались как особая, стабильная молекулярная система и идеальный строительный блок для изготовления беспрецедентных материалов. Они также рекламировались как новый аллотроп (структурная форма) углерода, который отличался от знакомого графита и алмаза.
Во-вторых, открытие дало толчок к поиску других углеродных аллотропов, в частности наноразмерных материалов. Наиболее существенным результатом этого поиска стал синтез и разработка углеродных нанотрубок (рис. 1b) японским физиком Сумио Иидзима 10 и его коллегами 11 в начале 1990-х годов. Углеродные нанотрубки показали, что электронные структуры углеродных слоев могут быть настроены с помощью структурной наноразмерной инженерии, что предполагает возможное использование в электронике и других приложениях.
В течение следующих двух десятилетий поток исследовательской деятельности, публикаций и патентов сделает фуллерены и углеродные нанотрубки детищем нанотехнологий. Именно в этот период, в 2004 году, российские физики Андрей Гейм и Константин Новоселов изолировали графен 2 (рис. 1в). Графен был первым примером действительно стабильного 2D-материала и показал физику, связанную с такими 2D-системами.
Прошло почти 35 лет с момента публикации фуллереновой статьи Крото и его коллег. Несмотря на весь потенциал, который обещал фуллерены, эти молекулы не привели к каким-либо крупным применениям, за исключением нескольких обнадеживающих идей в области солнечных батарей и биохимии. Тем не менее, работа проложила путь для многих инноваций в наноматериалах, которые в конечном итоге найдут применение в нанотехнологиях. Открытие фуллерена и то, что последовало за ним, показывают изобретательность человеческого разума в решении наноразмерной головоломки. Фуллерены также представляют собой любопытный случай, когда имя архитектора было включено в крупное научное открытие. Бакминстер Фуллер, вероятно, не возражал бы.