2.4. Тубулярні і луковичні структури

В теперішній час відомі не тільки вуглецеві нанотрубки і нанолуковици, але і аналогічні структури для інших сполук (BN, MoS₂ та ін.) і декількох металів. На рис. 2.9 показані схеми трубок, які утворюються в результаті згортання смуг атомних сіток графіту (графенів) в безшовні циліндри. Важлива структурна характеристика нанотрубок – спіралевидність (англо-мовн. хіральність), яка визначається взаємною орієнтацією гексагональної графітової сітки, по відношенню до подовжньої осі нанотрубки. Для одношарових трубок розрізняють три можливих варіанта згортання:

• гофр (чи крісло) – дві сторони кожного шестикутника орієнтовані перпендикулярно осі трубки;

• зиг-заг – дві сторони кожного шестикутника орієнтованиі паралельно осі трубки;

• спіралевидний (хоральний) – кожна пара сторін шестикутників орієнтована до осі трубки під кутом, відмінним від 0 до 90°.

Трубки можуть бути і багатошаровими, тобто можуть складатись із декількох коаксіальних циліндрів (рис. 2.9). Внутрішній діаметр трубок змінюється від декількох часток нанометра до декількох нанометрів. Відстань між сусідніми шарами вуглецю в графені дорівнює 0,34 нм, а відстань між атомами вуглецю – 0,142 нм; теоретично мінімальний діаметр вуглецевої нанотрубки повинен складати коло 0,7 нм. Довжина нанотрубок може досягати декількох мікрометрів і більше. Кінці трубок після синтезу закриті напівсферичними чи конічними «шапочками», в структурі яких окрім шестикутових конфігурацій містяться також п’ятикутові. Багатошарові утворення можуть також мати округлу форму (оніони), що в перетині нагадують луковицу (рис. 2.10).

Внутрішні порожнини нанотрубок та їх зростків можуть бути заповнені різними речовинами, що значно розширює можливості реалізації різних властивостей в системах типу «гість- господар».

Рис. 2.9. Будова багатошарових трубок: а – «російська матрьошка»; б – рулон (сувій); в – пап’є-маше

Рис. 2.10. Електронна мікрофотографія фулеренової луковици, яка містить в центрі нанокристаліт алмазу

3. ВЛАСТИВОСТІ НАНОМАТЕРІАЛІВ. РОЗМІРНІ ЕФЕКТИ

Властивості матеріалів суттєво залежать від розмірів їх структурних елементів.

Основні особливості проявлення розмірних ефектів в наноматеріалах можуть бути сформульовані наступним чином:

• зі зменшенням розміру зерна значно зростає роль поверхонь розділу;

• властивості поверхонь розділу в нанометровому інтервалі і для звичайних крупнокристалічних матеріалів можуть відрізнятися; різноманіття поверхонь розділу в нанокомпозитах, які об’єднують неорганічні та органічні компоненти, може бути дуже значним;

• зменшення розміру кристалітів може бути сумірне з характерними розмірами деяких фізичних явищ (наприклад, з довжиною вільного пробігу носіїв в процесі переносу;

• розмірні ефекти в наноматеріалах можуть мати квантовий характер, тобто розмір зерна сумірний з довжиною хвилі до Бройля.

Окрім розміру кристалітів, значний вплив чинить склад і розподіл основних компонентів і домішок, вміст дефектів і наявність залишкових напруг, наявність нерівновісних і аморфних фаз.