Углерод, да не тот

Как пишет Иван Бобринецкий в "Независимой газете", более полувека кремний символизирует интеллектуальную мощь человечества, облаченную во множество различных<железок>и проводов. Ученые твердят, что кремниевая технология имеет свой предел и по мощности нарастающих вычислений, и по энергоемкости. Однако что сможет его заменить в будущем? Нанотрубки — вот новый материал, который, возможно, станет альтернативой кремнию при производстве элементов электроники.

Трубки мира

Углеродные нанотрубки — относительно недавнее открытие. Наука имеет дело с ними с 1991 года. Однако за это время удалось их достаточно изучить, чтобы не удивляться уникальным свойствам.

Известные распространенные формы углерода — графит и алмаз — дали собрату свои лучшие свойства, но усиленные в десятки и сотни раз. С одной стороны, это проводимость, превышающая проводимость меди и сорбционная способность, лучшая, нежели у активированного угля; с другой — прочность, сравнимая с прочностью лучших сортов стали.

Чтобы понять, как получаются нанотрубки с различными свойствами, можно представить лист бумаги с рисунком в форме пчелиных сот, и в каждом узле шестиугольника расположен атом углерода — так выглядит одна графитовая плоскость. Свернув лист в цилиндр, так, чтобы совпали атомы по его шву, можно заметить, что вариантов такого соединения очень много. Можно варьировать как угол сворачивания листа, так и диаметр получаемого цилиндра. Таким образом получаются нанотрубки с различными свойствами, причем примерно треть вариантов будет приводить к нанотрубкам с металлической проводимостью, а оставшиеся две трети вариантов будут образовывать нанотрубки с полупроводниковыми свойствами. Именно последние свойства — основа функционирования современных<интеллектуальных>приборов.

Минимальный диаметр нанотрубок — одна миллиардная доля метра (10-9 м, нанометр), однако длина их может достигать долей миллиметра.

Баллистический транспорт

Благодаря таким уникальным свойствам ученые пытаются внедрить нанотрубки во все области хозяйственной деятельности человека, предлагая на первый взгляд фантастические варианты. Провода линий электропередачи, практически без потерь передающие ток по нанотрубкам, бронежилеты облегченного варианта с возможностью светопреломления, что должно в перспективе привести к созданию костюма-невидимки. И самый амбициозный и чаще других упоминающийся в печати проект — лифт до Луны, удерживаемый тросами, сплетенными из нанотрубок, стоимостью в 12 млрд. долл. (LiftPort Group).

В России нанотрубки также уверенно занимают лидирующие позиции в приоритетных направлениях исследований ученых. Однако предпочтение российские ученые отдают в основном исследованию сорбционных свойств нанотрубок. В частности, изучаются возможные механизмы их использования в качестве ячеек для хранения водорода. Разработкой электронных приложений занимается ограниченное количество научных групп.

В Московском государственном институте электронной техники занимаются исследованием<баллистического транспорта на основе квазиодномерных структур>более 20 лет. Основное внимание сфокусировано на электрических характеристиках проводников с размерами в сечении порядка одного нанометра. Однако модельными объектами ранее являлись различные органические молекулы и металлические сужения в тонких пленках. Так, еще в 1989 году наблюдалась квантовая природа проводимости наноразмерных органических проводников при комнатной температуре. Ранее подобные измерения проводились только при температуре ниже -200оС.

И вот в 2001 году были начаты эксперименты с нанотрубками. На данный момент налажено сотрудничество с несколькими институтами Москвы и Московской области, в которых отработан процесс производства нанотрубок с различными характеристиками.

От струны до наноноса

Как было отмечено выше, в мире основные разработки ведутся в направлении применения нанотрубок в элементах будущей электроники. Диоды, транзисторы, логические ключи — простейшие элементы, обеспечивающие разнообразие функциональных возможностей современных компьютеров. Были реализованы прототипы данных элементов на основе углеродных нанотрубок полупроводникового типа, которые в аналогичных схемах заменили кремний.

Суть разработок заключается в том, что повышение быстродействия, а значит, вычислительной мощности, и уменьшение энергопотребления связано с уменьшением размеров активных элементов транзисторов. Для этого создаются новые производственные фабрики, стоимость которых превышает 1 млрд. долл. Благодаря таким затратам сейчас доступны вычислительные системы с характерным размером одного элемента 60 нм. Нанотрубки, как было отмечено, обладают размером, составляющим сотую часть данной величины.

Проводимостью нанотрубок можно управлять, не только используя внешнее электрическое поле (то есть в транзисторах). Очень сильно электрические характеристики нанотрубок зависят от окружающей их атмосферы — а это прямой путь к применению их в сенсорах различных химических веществ. При этом решается проблема влияния объема в современных датчиках, в которых взаимодействие чувствительного материала с окружающей средой происходит через поверхность, тогда как весь объем практически не<чувствует>изменений.

Дело в том, что в традиционных сенсорах приходится разрабатывать методы по созданию тонких пленок или увеличения пористости для повышения вклада поверхности в общие электрофизические характеристики. А вот объем нанотрубок одновременно является и поверхностью, поэтому присутствие нескольких молекул детектируемого газа может значительно изменить проводимость нанотрубки. Таким образом, появляется реальная возможность обнаружения минимального количества вещества, в том числе и в атмосфере — своеобразный<нанонос>. В ЦКП НЭ, например, была продемонстрирована чувствительность датчиков на основе нанотрубок к парам спиртов и малым концентрациям хлора в атмосфере.

Другой путь — акустический. Для этого нанотрубку надо растянуть в висячем положении, закрепив только по краям. Так как нанотрубка имеет счетное количество атомов, то присутствие молекул веществ с различной массой может привести к сдвигу резонансного пика колебаний. В итоге нанотрубная струна будет<звучать>по-разному, в зависимости от присутствия на ней молекул того или иного вещества.

Однако данные работы находятся в самом начале своего развития. Нанотрубки все еще продолжают удивлять ученых своими свойствами.

Обозрение "Terra & Comp".