Нанотрубки из углерода и нитрида бора

Когда были впервые обнаружены нанотрубки из углерода? Как были обнаружены нанотрубки из нитрида бора? И какие преимущества имеет нитрид бора как материал? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Дмитрий Гольберг.

Нанотрубки впервые были заявлены японским ученым Сумио Иидзима. В 1991 году он заявил о том, что в углероде существуют специальные, очень тонкие цилиндрические образования. Эти материалы на самом деле были известны давно: еще в 1950-е годы, в частности в работах русских ученых из МГУ, было показано, что существуют fiber’ы, сделанные исключительно из углеродных атомов, тоньше человеческого волоса в 50 000 раз. Но в то время не было просвечивающего электронного микроскопа, который мог бы идентифицировать эти материалы и показать, что они состоят из завернутого в геликоид листа графита и имеют внутри канал. В 1991 году Сумио Иидзима, используя просвечивающий электронный микроскоп с высоким разрешением, обнаружил эти структуры и описал их образование, геометрию, кристаллическую структуру. Начиная с этого времени, начался бум, связанный с развитием этого материала.

Мы изучали плавление нитрида бора в алмазной наковальне. Алмазная наковальня — это устройство, где можно создать очень высокие давления и температуры, пропуская внутрь лазер. Мы изучали плавление нитрида бора при температуре 5000 К и давлении 20 ГПа. На кромках плавящегося вещества мы обнаружили структуры, которые, как показал химический анализ, состояли из бора и азота. Мы уже были готовы заявить о нашем открытии, но, к сожалению, опоздали на несколько месяцев, и американские ученые заявили об открытии нанотрубок из нитрида бора. Дальше началась очень интенсивная работа по поиску отличий этих трубок от обычных углеродных. Структуры их очень похожи. Все расстояния между слоями в углероде такие же, как и в нитриде бора, и отличаются всего на 0.01 нм (соответственно, 0.33 и 0.34 нм). Но оказалось, что их свойства принципиально различны. Из-за того, что атомы углерода образуют исключительно ковалентные связи в решетке, нанотрубка из углерода состоит из ковалентно связанных атомов углерода. Поскольку нитрид бора — это соединение с переносом заряда, то есть бор и азот имеют различные электроотрицательности, между ними существует перенос заряда, соединение становится частично ионным. Если нанотрубки из углерода всегда бывают либо металлом, либо плоскозонным полупроводником в зависимости от завернутости этого листа, то нанотрубки из нитрида бора всегда бывают только диэлектриками: у них ширина запрещенной зоны между 5 и 6 эВ.

Нанотрубки из нитрида бора имеют преимущество: они термически очень стойкие. Углерод горит при окислении на воздухе при 400–500 градусов Цельсия, то есть углеродные трубки превращаются в CO2 и исчезают. С ними уже невозможно работать. Нитрид бора стоит на окислении на воздухе до 900–1000 градусов Цельсия. Это приводит к тому, что вы можете думать о высокотемпературных применениях материалов, которые состоят из нанотрубок. Кроме того, нитрид бора химически пассивен, он слабо реагирует с кислотами, с растворами, и поэтому он очень стабилен не только термически, но и химически.