Все новости от 21 октября 2003 г.

Чудо-материал

Они прочнее стали, гибкие как пластмасса, проводят энергию лучше почти всех прочих известных материалов и могут производиться из нетоксичного сырья, такого как газ метан. Вопрос лишь в том, сдержат ли они свое обещание.

За относительно короткий срок выяснилось, что углеродные нанотрубки — тонкие трубки из атомов углерода, уникальная структура которых создает уникальные характеристики, — представляют собой чудо-материал, способный революционизировать целые отрасли.

Ожидается, что одностенные нанотрубки дебютируют уже в этом году как добавки в полимеры, повышающие прочность пластмассовых деталей автомобилей и придающие обычно непроводящим материалам свойство проводимости. В не столь отдаленном будущем должна появиться также краска, отражающая сигнал радара. А производители компьютеров и телевизоров планируют использовать их в ближайшие два года для заметного понижения стоимости своих изделий.

«У нас их покупают все крупные промышленные корпорации, заинтересованные в новых материалах, от производителей пластика до полупроводниковых компаний, — говорит Том Ритстик, вице-президент по развитию бизнеса компании Carbon Nanotechnologies (CNI), учрежденной нобелевским лауреатом 1996 года профессором Университета Райса Риком Смолли.

В ближайшее десятилетие нанотрубки могут заменить кремний в транзисторах для процессоров и памяти. Они могут применяться и для изготовления оптического волокна, и для подачи лекарств в отдельные клетки тела человека, и даже для изменения структуры энергетических сетей страны.

Однако массовое производство нанотрубок остается проблемой. К 2005 году CNI планирует запустить завод, производящий 454 кг нанотрубок в день. Сейчас компания ежедневно производит всего полкилограмма-килограмм. Сложный процесс делает технологию слишком дорогостоящей для широкого применения. На веб-сайте компании указана цена — 500 долл. за грамм.

Другие ученые говорят также, что производителям полупроводников, возможно, будет проще изготавливать на существующем оборудовании кремниевые нанопроводники — твердые микроскопические нити из кремния. «Пусть они менее совершенны, но их легче интегрировать в чипы», — утверждает профессор механики Стэнфордского университета К.Х.Чо.

В одном измерении
Углеродная нанотрубка по существу представляет собой свернутый в трубку лист из атомов углерода, образующих правильные шестиугольники. Они бывают двух основных типов: одностенные (из одного слоя углеродных шестиугольников) и многостенные (одна трубка входит в другую, более широкую, и т.д.).

Свойства трубок в основном определяются двумя факторами: геометрическими размерами, которые позволяют считать их одномерными объектами, и собственными свойствами углерода. Нанотрубки практически не имеют длины и ширины, в них нет поперечного движения материала, поэтому электроны перемещаются по ним, не встречая препятствий. Это означает, что нанотрубки проводят тепло лучше любого другого материала, включая алмаз, и могут использоваться даже для подачи энергии в дома. Трубки могут применяться и для передачи света, улучшая свойства оптоволокна или заменяя его. В микросхемах нанотрубки могут играть роль транзисторов, переключающихся гораздо быстрее современных кремниевых.

По словам специалиста по углеродным нанотрубкам из IBM Research Йорга Аппензеллера, сравнить их с транзисторами по производительности пока невозможно, так как ученые исследовали работу лишь одиночных трубок. Тем не менее первые результаты очень обнадеживают и обещают, что базовая структура транзистора останется неизменной. «В идеале нанотрубкой заменяется только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений». Одномерные объекты могут образовывать и другие материалы, такие как нитрид бора, но лучше всего изучены свойства углерода.

Несколько компаний уже в 2005 году надеются использовать нанотрубки в телевизорах, ЖК-мониторах или плазменных дисплеях. Такие дисплеи могут быть тоньше, чем ЖК-панели, и гораздо дешевле в производстве: трубки можно наносить на стекло, смешав их с клеем, — никакого суперсложного оборудования для этого не потребуется.

Эластичные стенки
Другое важное свойство нанотрубок — эластичность. Атомы углерода тесно связаны друг с другом и образуют стабильные замкнутые шестиугольники. Нанотрубки имеют свойство «самоисцеляться», сдвигая атомы так, чтобы восполнить недостающие. «Кремний очень чувствителен к дефектам, — говорит профессор физики Университета штата Мичиган Дэвид Томанек. — А углеродные нанотрубки, как мы выяснили, относительно устойчивы к ним».

Это может решить гигантскую проблему. Сегодня завод по производству процессоров стоит 3 млрд долл., а к 2007 году будет стоить 6 млрд долл. Львиная доля этих затрат приходится на оборудование, необходимое для изображения схем. Самособирающиеся и самовосстанавливающиеся трубки исключают потребность во многих из этих машин. Большинство необходимого оборудования представляет собой «довольно стандартный набор для химической промышленности», отмечает Питстик.

Гибкость поможет и в других приложениях. Одностенные нанотрубки, чрезвычайно устойчивы к физическому изгибанию или вытягиванию, их можно завязывать в узел с углом 120 градусов и снова выпрямлять, не причиняя им вреда, говорит доцент химии Стэнфордского университета Хонджи Даи.

Они могут быть очень протяженными. В лабораториях создают бездефектные нанотрубки длиной до четырех микрон — это в 40 раз больше средней длины элементов обычных кремниевых чипов. Отдельные нанотрубки с чуть менее совершенными механическими свойствами достигают длины 120 мкм. Гипотетически это позволяет заменить нанотрубками детали самолетов, что повысит их прочность и уменьшит вес.

Углерод отлично подходит и для использования вандерваальсовых сил, которые заставляют соединяться атомы разного типа. В ходе экспериментов ученые заметили, что нанотрубки прилипают к возвышающимся над пластинами выступам кремния. Это позволит образовывать из них полезные структуры. Молодая компания Nantero, корнями уходящая в Гарвардский университет, планирует использовать вандерваальсовы силы для изготовления микросхем памяти нового типа. «Получаются полупроводниковые пластины из трубок с нужной ориентацией, — говорит Даи. — Это поистине земля обетованная для использования вандерваальсова контакта».

На стол конструктора
Преимущества кажутся несомненными, однако ученые предупреждают, что для достижения такого замечательного результата необходимо наладить массовое производство нанотрубок.

Сегодня углеродные нанотрубки производятся двумя способами. Первый, метод лазерной аблации, предложен CNI и заключается в облучении графита лазером. Второй, модифицированный газовый метод, состоит в пропускании углеродосодержащего газа, такого как метан или CO2, сквозь расплавленный металлический катализатор. При этом серьезную проблему представляет очистка, например, от частиц металлического катализатора. IBM и другие экспериментируют с новыми методами изготовления трубок типа получения кристаллов кремний-углерода с последующим выпариванием кремния, но окончательного решения пока нет.

Еще одна важная проблема связана с регулированием так называемой хиральности — нужного расположения шестиугольников из атомов углерода, составляющих поверхность трубки. Если они вытянуты в вертикальные линии, трубка приобретает свойства металла и не может применяться в электронике. Если же они слегка закручиваются в спираль (как шов на картонной сердцевине рулона туалетной бумаги), трубки приобретают свойства полупроводника и могут использоваться в транзисторах.

К сожалению, факторы, влияющие на образование трубки, во многом остаются загадкой. «Классическая механика здесь не работает — это мир квантовой механики, как и графитоподобный монослой (graphene). — говорит Аппензеллер. — Поэтому хиральность предсказать очень трудно».

Смолли, Даи и другие надеются научиться управлять этими характеристиками при помощи «селективных катализаторов». «За годы работы мы пришли к выводу, что катализатор решает все», — говори Даи.

Следующая проблема — превращение нанотрубок в готовые продукты. Поместить нанотрубки в нужные места таких изделий, как химический датчик или дисплейная панель, нетрудно, ведь они наносятся как краска. Однако в микросхемах придется размещать отдельные нанотрубки между нужными контактами. Ученые надеются, что им удастся выращивать нанотрубки прямо на подложке. В Стэнфорде и Университете Дьюка доказали техническую возможность выращивания и позиционирования нанотрубок, но на этом пути остается еще много препятствий.

Кремний не сдается
В конечном счете совместимость с кремнием может изменить баланс в пользу кремниевой нанопроволоки. Она изготавливается методом пропускания молекул SiH4 сквозь частицы золота, рассказывает профессор Калифорнийского технологического института Андре Дегон. Золото отрывает атомы водорода и позволяет «голым» атомам кремния образовывать нити. «Наша цель — создать из этого материала память привлекательного размера, — сказал Дегон на проходившей в августе конференции Hot Chips. — Для этого потребуется от трех до пяти лет».

Каким бы футуристическим ни казался этот метод, на самом деле впервые он был описан еще в 1964 году сотрудниками Bell Labs. Пусть кремниевая нанопроволока не проявляет всех электрических свойств углеродных нанотрубок, на кремниевой пластине ее выращивать проще, говорит Дегон. Однако и этот процесс нельзя разработать в одночасье.

«Пройдет несколько лет, прежде чем мы увидим реальные сдвиги, — говорит Пэт Гелсингер, главный технолог Intel, которая сотрудничает с университетами в обоих направлениях. — Выбор делать пока еще рано».

Несмотря на проблемы, ученые и компании с оптимизмом относятся к нанотрубкам — их вдохновляют результаты экспериментов, следующие один за другим с головокружительной скоростью. «Мы достигли огромного прогресса, — говорит Аппензеллер. — Пока все идет прекрасно». 

 Предыдущие публикации:

 В продолжение темы: