Природа на въглеродната връзка

Въглеродът е елемент, който интригува научната общност още от древни времена, а в последните десетилетия е във възхода на своето приложение и в центъра на велики научни открития. Най-ранните доказателства за нанотехнологиите и тяхното приложение се проследяват до 600 г. пр.Хр. в Киелади, Индия, а след това и в цяла Европа. Смятаме, че наночастиците са открити от съвременната наука, но те са били използвани от занаятчиите още през 9. век в Месопотамия за създаване на блестящ ефект върху повърхността на саксии.

Алотропните форми на въглерода, сред които графит, диамант, аморфен въглерод, фулерени, нанопяна, нанотръби, графен, включително около 18% от човешкото тяло (като тегло, което също е изградено от въглерод), са обект на много изследвания. Всъщност въглеродните атоми изграждат основата на много важни молекули в тялото ни, включително ДНК, РНК, захари и мазнини.
Разнообразната природа на въглеродната връзка позволява на въглерода да образува някои от по-големите и интригуващи наноструктури, като въглеродни нанотръбички. 

Във фулерените обичайно се срещат петоъгълни и дори седмоъгълни въглеродни пръстени. Сферичните фулерени са известни още като бъкиболи, а цилиндричните – като въглеродни нанотръби. Откритието на въглеродните нанотръби (CNT, удължен фулерен) и графен (материали с 1D и 2D размерност) е скок в познанието за технологиите. Благодарение на техните уникални електрични, термични, механични и оптични свойства могат да бъдат ключов фактор в създаването на функционални устройства и системи в наномащаб, което привлича вниманието както на научните среди, така и на индустрията, медиите, включително на широката общественост.
Двете основни алотропни структури на твърдият въглерод, стабилни при стайна температура са диамант и графит, като въглерод под формата на графит е открит още през 1779 г. и десет години по-късно под формата на диамант.

Фулеренът е открит през 1985 г. от Робърт Кърл, Харолд Крото и Ричард Смоли в Университета в Съсекс и Университета Райс и е наречен на името на Бъкминстър Фулър, тъй като известните му геодезични куполи имат подобна форма, като за откритието си те стават носители на Нобелова награда за химия за 1996 г. Няколко години по-късно са открити и CNT.

Откриването на C60

Откритието на молекула съдържаща С60 (наречен още Buckminsterfullerene) отчасти е случаен резултат от изследване на природата на материята в космическото пространство. Тези топкоподобни молекули (които освен на Бъкминстър Фулъровите куполи, наподобяват футболна топка, направена от двадесет шестоъгълника и дванадесет петоъгълника) се свързват помежду си в твърдо състояние, за да образуват кристална решетка с кубична структура, показана на Фиг. 1. В решетката всяка молекула е отделена от най-близкия си съсед с 1 nm (разстоянието между центровете им е 1 nm) и те се държат заедно от слаби сили, наречени сили на Ван дер Ваалс (сили на взаимодействия между атомите и молекулите, зависещи от разстоянието).

Фиг. 1. Единична клетка с кристална решетка на C60 молекули (големи сфери), легирани с алкални атоми (тъмни кръгове). Източник: F. J. Owens & C. P. Poole, Jr., The New Superconductors, Plenum, 1998

Когато през космоса към Земята достигне светлина от далечна звезда, то интензитетът на светлината намалява. Явлението е означено като оптично изчезване и възниква поради поглъщането и разсейването на светлината от междузвездния прах, лежащ по пътя ѝ към Земята. Учените изследват това изчезване, като измерват интензитета на светлината от звездите на различни дължини на вълната, и установяват, че е с различни цветове. Когато са направени тези проучвания, е отбелязано, че има изчезване или абсорбция в ултравиолетовата област при дължина на вълната 220 nm, която се дължи на светлината, разпръсната от малки частици от графит, за който се е смятало, че присъства в областите между звездите.

Доналд Хофман от Университета на Аризона и Волфганг Кратшмер от Института по ядрена физика Макс Планк в Хайделберг решават да проучат този въпрос внимателно, като за целта симулират графитен прах в лаборатория и изследват преминаването на светлина през него. 

Изследването им се състои в нагряване на графит в електрическа дъга в присъствието на хелиев газ, като впоследствие кондензират дима върху плочи от кварцово стъкло. След това изучават кондензирания графит със спектроскопски методи, като инфрачервена и Раман спектроскопия, които могат да измерват вибрационните честоти на молекулите. Резултатите им са любопитни, тъй като освен очакваните спектрални линии графит, наблюдават още четири допълнителни IR абсорбционни ленти, които не произхождат от графит. В продължение на години подобната на футболна топка молекула, състояща се от 60 въглеродни атома с химична формула C60, е била само теоретично представена от общността на теоретиците химици, но не и с физични доказателства за съществуването ѝ. Полученият резултат от изследването на Хофман и Кратшмер за четирите ленти, наблюдавани в кондензирания „графит“, отговарял много на този, предвиден за молекула C60.

В последвала дискусия по темата, в научните среди започнали да си задават въпроса дали може изчезването на UV светлината, идваща от звездите, да се дължи на съществуването на C60 молекули? И така, учените вече имали твърди доказателства за съществуването на интригуващата нова молекула, състояща се от 60 въглеродни атома, свързани под формата на сфера. 

Още в началото на стартиралите експериментални изследвания, фулереновите въглеродни структури проявили забележителни качества (както електрични, така и механични). Те имат интересни полупроводникови свойства – могат да бъдат легирани вътрешно и външно, могат да изграждат кристали, имат голяма механична якост и химическа устойчивост. В зависимост от легирането материалът от С60 може да има свойствата на полупроводник, изолатор, проводник или свръхпроводник.
За атомите, от които може да бъде изградена една фулеренова структура, теоретично не съществува ограничение. Само нейната енергийна стабилност може да определи дали структурата може да съществува или не. 

Впоследствие се откриват безкраен клас нови молекули – фулерените – вместо само една нова молекула. Всеки фулерен – C60, C70, C84 и т.н. – има жизненоважната характеристика да бъде чиста въглеродна клетка, като всеки атом е прикрепен към три други, както в графита.
Някои фулерени, като C60, имат сфероидна форма, а други, като C70, са продълговати като топка за ръгби. През 1990 г. д-р Ричард Смоли идентифицира, че теоретично може да бъде създаден тръбен фулерен, затворен във всеки край, например, от двете полукълба на C60, свързани с прав сегмент от тръба, само с шестоъгълни единици в структурата си. Когато Мили Дресълхаус чува за тази идея, тя нарича тези въображаеми обекти „buckytubes“.

През 1991 г., след откриването и потвърждението на фулерените, Сумио Ииджима от NEC Corporation (Nippon Electric Company, японска мултинационална корпорация за информационни технологии и електроника, със седалище в Минато, Токио), забелязва многостенни нанотръби, развити при въглеродно дъгово разреждане, и след две години той и Доналд Бетюн от IBM независимо наблюдават buckytubes, тоест едностенни нанотръби. Сумио Ииджима синтезира въглеродни игли, направени от кухи тръби, използвайки техниката на електрическа дъга. Въпреки това, някои изследователи изчисляват, че въздействието на работата на Ииджима се дължи на факта, че науката вече е достигнала достатъчна степен на зрялост, за да оцени значението на въглеродните нанотръби.

Въглеродните нанотръби привличат вниманието на много учени по целия свят. Уникалните и необичайни свойства на тези структури ги правят уникален материал с цяла гама от обещаващи приложения.

Въглеродни нанотъбички

В действителност обаче въглеродните нанотръби са открити десетилетия по-рано, но не са били напълно изучени по това време. В края на 50-те години на миналия век Роджър Бейкън от Union Carbide открива необичайно ново въглеродно влакно, докато изследва въглерода при условия, близки до неговата тройна точка. Той първи забелязал кухи въглеродни тръби, които сякаш били затворени в графитни слоеве въглерод, разделени на същото разстояние като равнинните слоеве графит. Още през 70-те години на миналия век Моринобу Ендо наблюдава отново тези тръби, създадени чрез газофазен процес. Той дори забелязва някои тръбички, затворени само в един слой навит графит.

Въглеродните нанотръби са много фини и малки епруветки или цилиндри, чиято структура може да се види само с електронен микроскоп. Те се състоят от лист графит (графен), навит в тръба с връзки в края на листа, образуващи връзките, които затварят тръбата.

Фиг. 2 илюстрира някои възможни структури на въглеродни нанотръби, в зависимост от това как се валцуват графеновите листове.

Фиг. 2. Илюстрация на някои възможни структури на въглеродни нанотръби, в зависимост от това как се валцуват графеновите листове: (a) структура на фотьойл; (b) зигзагообразна структура; (c) хирална структураИзточник: Introduction to Nanotechnology. John Wiley & Sons, Inc.,