Структура нанотрубок углерод

Рис. 2. Идеализированная модель однослойной углеродной нанотрубки

Идеальная нанотрубка — это цилиндр, полученный при свертывании плоской гексагональной сетки графита без швов (рис.

Рис. 3. Модель образования нанотрубок с различной хиральностью при свертывании в цилиндр гексагональной сетки графита

Индексы хиральности однослойной трубки определяют ее диаметр D:

где d₀ = 0,142 нм - расстояние между атомами углерода в гексагональной сетке графита.

Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально под­тверждена в 1996 году, когда впервые был осуществлен синтез нанотрубок с D = 1,36 нм, что соответствует хиральности (10, 10).

Многослойные нанотрубки углерода отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок показаны на рис. 4. Структура, представленная на рис 4, а, получила название русской матрешки. Она представляет собой коаксиально вложенные друг в друга однослойные цилиндрические нанотрубки. Структура, показанная на рис. 4, б, напоминает скатанный рулон или свиток. Для всех рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, равно 0,34 нм.

Рис. 4. Модели поперечного сечения многослойных нанотрубок: а - русская матрешка, б - свиток

По мере увеличения числа слоев все в большей степени проявляются отклонения от идеальной цилиндрической формы. В некоторых случаях внешняя оболочка приобретает форму многогранника. Иногда поверхностный слой представляет собой структуру с неупорядоченным расположением атомов угле­рода. В других случаях на идеальной гексагональной сетке внешнего слоя нанотрубки образуются дефекты в виде пятиугольников и семиугольников, приводящие к нарушению цилиндрической формы. Наличие пятиугольника вызывает выпуклый, а семиугольника - вогнутый изгиб цилиндрической поверхности нанотрубки. Подобные дефекты ведут к появлению изогнутых и спиралевидных нанотрубок, которые в процессе роста извиваются, скручи­ваются между собой, образуя петли и другие слож­ные по форме протяженные структуры.