Углеродные нанотрубки представляют из себя каркасные структуры протяженной цилиндрической формы из особо модифицированного углерода. Диаметр трубок от одного до нескольких десятков нанометров, а длина достигает нескольких сантиметров. Сформированны из одной или нескольких свёрнутых в трубчатую форму гексагональных графитовых решетчатых плоскостей (графенов).
Исходя из самого определения, нанотрубки класифицируют в основном по тому, каким способом свернуты плоскости графита. Если разложить направление сворачивания на векторы, то получают параметры, определяемые двумя числами n и m. По значению параметров (n, m) различают:
Нанотрубки из решетчатого углерода бывают с металлическими и полупроводниковыми свойствами. Металлические нанотрубки могут проводить электроток в диапазоне температур от высоких до абсолютного нуля, а полупроводниковые трубки имеют нулевую проводимость при температуре абсолютного нуля, которая растет пропорционально повышению температуры. На «техническом» языке это формулируется так – полупроводниковые углеродные нанотрубки имеют энергетическую щель на поверхности Ферми. Открыли и впервые исследовали свойства сверхпроводимости трубок в нанотехнологиях исследователи из Франции и России.
В наши дни наибольшее распространение нашло получение углеродных каркасных структур методом термораспыления графитных электродов в плазменных дуговых разрядах. Процесс синтезирования протекает в специальной термокамере, которая заполнена газообразным гелием под давлением почти 500 торр. В процессе плазменного горения происходит интенсивное термоиспарение анода, при котором на торцевых поверхностях катода откладывается осадок, в котором начинают формироваться нанотрубки.
Самое большее количество трубок синтезируется в том случае, когда ток плазмы минимальный и его плотность находится в пределах около 80-100 А/см2. В действующих экспериментальных технологиях поддерживаются междуэлектродные напряжения в диапазоне от 15 до 30 Вольт, ток разряда около десятка амперов, расстояние между торцами графитных электродов 1-2 миллиметра. В ходе синтеза больше чем 90 процентов от общей массы анода переносится на катод.
Образованные в ходе синтеза нанотрубки имеют длину около 40-ка мкм. Они откладываются на поверхности катода на торце и собираются в виде цилиндрических пучков. Пучки трубок постепенно покрывают катода, формируясь с сотовой структурой. Ее возможно увидеть, рассматривая осаждение на катоде даже без микроскопа. Пространства между отдельными пучками заполняется отдельными наночастичками и неупорядоченными одинарными нанотрубками.
Полученные компоненты разделяются при помощи ультразвукового диспергирования. Катодный элемент помещается в метаноловую среду и обрабатывается посредством ультразвука. В итоге получают суспензию, которую с последующим разбавлением обрабатывают центрифугой. Более крупные и тяжелые частички сажи налипают на стенки центрифуги, а наноструктуры остаются плавать в жидкой в суспензии. Потом их промывают кислотами и подвергают сушке с применением специальной кислородо-водороной газовой. После высушивания получают готовый материал из многослойных углеродных трубок, которые имеют средний диаметр 25 нм и длину 12-15 мкм.
Широкое применение нанотрубок сдерживается пока в основном именно из-за сложности их производства. Технологии промышленного синтеза нанотрубок пока еще только разрабатываются и совершенствуются, поэтому в наши дни это очень дорогостоящий материал. Ожидается что в ближайшие годы ученым и инженерам удастся поставить производство этого замечательного материала на поток. Это позволит внедрять его во всевозможных сферах – начиная от космических технологий и заканчивая применением в нашем повседневном быту.