Наука: Углеродные нанотрубки, графен и т.п.

Физики из Университета Корнелла, США, сделали электромеханический резонатор нанометровых размеров, способный детектировать малые значения прикладываемой на него силы. В качестве "рабочего органа" резонатора исследователи использовали нанотрубку, расположенную между двумя золотыми электродами (V Sazonova и др. 2004 Nature 431 284).

Геометрия устройства и диаграмма расположения нанотрубки на электродах. Масштабная метка - 300 нм. Металлические электроды (золото/хром) показаны желтым цветом, поверхность из оксида кремния - серым. Размеры канавки, через которую протянута нанотрубка: 1.5 мкм в длину и 500 нм в ширину (геометрия канавок вынесена пунктирными линиями).

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) такого типа могут быть полезны при конструировании различных ультра-чувствительных масс-детекторов и детекторов силы. В таких устройствах "рабочий орган" сенсора изменяет свое положение в зависимости от воздействия на него внешней силы.

Эта симуляция отображает первые четыре резонансные состояния нанотрубки, жестко закрепленной с двух сторон. Сазонова и МакЮн рассчитали эти состояния, и показали, что их можно "подстроить" под широкий спектр частот.

Углеродные нанотрубки - идеальные кандидаты для рабочего органа такого устройства, так как у них большая упругость. Это позволяет нанотрубке колебаться в широком диапазоне частот, а это, в свою очередь, необходимо для квантовомеханических устройств. Более того, нанотрубка может работать в качестве транзистора, что позволило исследователям определить частоту колебаний нанотрубки и ее смещения относительно положения покоя. Все вышесказанное характеризует однослойную углеродную нанотрубок как универсальный детектор массы и силы. В детекторе исследователи использовали нанотрубку диаметром от одного до четырех нанометров.

Пол МакЮн и его коллеги сделали детектор следующим образом: между двумя электродами, расположенными на желобке из оксида кремния, протянули нанотрубку, жестко закрепленную на концах. В результате получился транзистор. Электроды были стоком и истоком, а подложка с канавкой из оксида кремния - затвором.

Ученые не только могут работать - они еще и отдыхают :) Команда исследователей во главе с МакЮном

Далее, изменяя напряжение на электродах, физики из Корнелла добились оптимального натяжения нанотрубки (за счет электростатического притяжения к затвору), а, также, заставили ее вибрировать. Теперь, измеряя изменения электрической емкости между нанотрубкой и затвором можно было установить, насколько нанотрубка отклоняется от положения покоя, или же измерить частоту вибрации нанотрубки.

МакЮн и его команда смогли измерить резонансные частоты нанотрубки от 3 до 200 мегагерц. Также они смогли измерить смещение нанотрубки всего на 0.5 нанометров от положения равновесия. На сегодняшний день это лучшие результаты измерения массы, достигнутые при комнатной температуре.

Так как частота вибрации нанотрубки представляет собой функцию от ее массы, то добавление к ее массе постороннюю, изменит частоту колебаний. Проще говоря - если соединить с нанотрубкой очень маленький предмет, то можно будет его взвесить! Ранее, на кремниевых кантилеверах можно было взвесить бактерию или вирус. Теперь, как говорит МакЮн, с помощью нового детектора "Мы достигли границы в измерениях массы - теперь с помощью нашего устройства (наверняка при его модификации - прим. переводчика) можно будет взвешивать отдельные атомы."

Исследователи производили их измерения в вакууме. В воздухе большое количество разных молекул будет сталкиваться с нанотрубкой или, даже, абсорбироваться с ней, изменяя ее массу. Поэтому, как предварительно сказал МакЮн, одно из применений сенсора, которое лежит "на поверхности" - детектирование газов.

Ткань из нанотрубок

Команда ученых из манчестерского университета под руководством Эндрю Гейма создала уникальную ткань в виде сверхгигантской плоской молекулы. Толщина нового материала фантастически мала: он получился в результате эксперимента по отделению атомарного слоя от кристалла графита. Профессору Гейму впервые удалось осуществить на практике этот опыт, и результат получился потрясающий: "отрезанные" от основного куска вещества элементарные частицы сохранили связь друг с другом, образовав "заплатку" толщиной в один атом.

При этом поперечник кусочка "ткани" в десять микрон выглядит огромным, но ученые говорят, что нет никаких принципиальных ограничений для создания в лабораторных условиях образца площадью в несколько квадратных сантиметров.

Чудо физики получило название графен. Он - близкий родственник экзотических углеродных сверхмолекул - нанотрубок и фуллеренов. Разница лишь в том, что, в отличие от уже известных материалов, в графене все частицы расположены в одной плоскости. Внешне вновь открытая молекула представляет собой миллионы развернутых углеродных нанотрубок, которые были уплощены и склеены в "бесконечно большой" – с точки зрения размеров атома – лист.

Графен отличается высокой прочностью, эластичностью и отличной электропроводностью. Так что авторы работы прочат ему большое будущее не только среди новых материалов. По мнению ученых, электропроводящая ткань найдет достойное применение в суперкомпьютерах грядущего, где размеры логических схем будут уменьшены в миллионы раз, а скорость обработки и передачи данных неизмеримо возрастет.

"Сверхпроводимые нанотрубки позволяют совершить прорыв в компьютерных и интернет-технологиях – это уже известно. Эдакие листовые молекулы, свернутые в цилиндры вроде тех шоколадных стаканчиков, в которые помещают мороженое. Но их размеры весьма органичены. А графеновые проводники хороши тем, что плоские и имеют довольно значительную площадь", - сообщил профессор Лоренс Ивз.

Судя потому, как бурно развиваются нанотехнологии, апробация графена и его внедрение в промышленность может произойти уже в течение ближайших 10 лет, считает создатель уникальной материи профессор Гейм.

Углеродные нанотрубки, графен и т.п.

Наноэлектроника

Сверхточный детектор массы и силы на основе нанотрубки

Ткань из нанотрубок