Нанотрубки из конопли

Пока не существует технологии получения однотипных нанотрубок, ученым приходится искать их естественные источники.

За ближайшие 5-10 лет мировые технологии окончательно перейдут с микро (одна миллионная метра) на наноуровень (одна миллиардная метра). Наиболее заметным такой переход станет в бытовых электронных изделиях - телефонах, карманных компьютерах, видео и музыкальных устройствах.

Уже сейчас в меру навороченный мобильник по вычислительным возможностям своей начинки далеко превосходит самые мощные ЭВМ, выпущенные 25 лет назад.

В традиционных технологиях производства микросхем используется построение электронных элементов на основе хорошо изученных свойств особо чистых металлов, полупроводников, изоляторов - т.е. крупных кусков вещества, содержащих практически бесконечное число атомов. Впрочем, технологи-электронщики уже около 40 лет назад говорили о «технологии тонких пленок», подчеркивая этим отличия тонких слоев вещества толщиной в сотни и тысячи атомов от массивных изделий, имеющих тот же состав.

Уменьшение ширины тонкопленочных электронных деталей до 90 нм позволяет разместить более 100 млн условных транзисторов на квадратном сантиметре и обеспечить плотность ячеек памяти до 1 Гбит на квадратный сантиметр.

Но при ширине пленки в несколько десятков нанометров резко возрастает вклад границ в свойства всей детали. Это и естественные неровности краев, и размывание границ элементов, связанное с диффузией тщательно дозированных примесей. Чтобы наглядно представить себе «проблему краев», попробуйте вырезать из самой прочной ткани полоску шириной 2-4 мм. Вся прочность исчезнет на глазах, рассыпавшись на обрывки нитей.

В итоге фотолитографическая технология, в которой важнейшее значение имеет вытравливание (растворение) «лишнего» материала, становится при нанометровых размерах неэффективной.

Даже при идеальном «вырезании» нужных деталей взаимодействие поверхностных атомов, доля которых существенно возрастает, приводит к искажению начальных форм и расчетных свойств. Как упоминалось ранее, частицы металлов, состоящие из сотен и десятков атомов, теряют привычные металлические свойства, стремясь образовать завершенные кластеры (группы).

Следовательно, изделия наноразмеров нужно не «вырезать» из более крупных кусков вещества, а создавать из атомов в виде завершенных устойчивых структур. Именно так за много миллиардов лет до появления слова «нанотехнология» в природе стали строиться живые объекты. Хранящая наследственную информацию во всех организмах - от вируса до человека - молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) имеет вид двойной спирали диаметром около 2 нм с шагом (длиной витка) около 3,4 нм. Структура ее строжайшим образом упорядочена и устойчива.

По сравнению с невероятно сложными и изящными процессами, в которых участвует ДНК в процессе сохранения и копирования информации, потребности наноэлектроники кажутся примитивными - нужны «нанопровода», т.е. проводники электричества диаметром до 10 нм, желательно прочные и гибкие, не изменяющиеся со временем.

Оказалось, что такие нанопровода можно найти буквально в любой печной трубе. Это нанотрубки - открытая в 1991 году форма углерода, которая присутствует в саже и копоти. Нанотрубки можно рассматривать как разновидность другой каркасной структуры из чистого углерода - фуллеренов, открытых в 1985 году. Наиболее популярный из фуллеренов состава С₆₀ выглядит, как футбольный мяч, сшитый из пяти- и шестиугольных фрагментов - и здесь природа опередила человека в создании оптимальных форм.

Углеродные нанотрубки имеют диаметр от 0,79 нм до 10-200 нм и длину до 130 микрон (130 тысяч нм). По сравнению с обычной медной проволокой сажа - слабый проводник. Но в наномире соотношения совсем другие. Уже показано, что многослойные нанотрубки диаметром менее 10 нм допускают токи с плотностью около миллиона ампер на квадратный сантиметр, что существенно выше, чем у любого металла. Предполагается, что к 2010 г. сделают силовой кабель из нанотрубок с уникальными электрическими характеристиками.

Для микроэлектроники наиболее важно то, что нанотрубки - очень прочные, гибкие и упругие проводники, которые могут, в зависимости от структуры стенок, быть подобными либо металлам, либо полупроводникам. К тому же электропроводность нанотрубок зависит от их деформации. Такие свойства позволяют создать простые по структуре нановыключатели, из которых можно делать устройства энергонезависимой памяти высокой плотности.

Уже испытаны несколько типов переключателей на нанотрубках. В одном из них использованы взаимно наклоняющиеся друг к другу трубчатые электроды. В другом переключателе прогибающиеся под действием электрического поля нанотрубки могут касаться электрода, , создавая контакт. Ожидаемая плотность записи информации на «провисающих» трубках - 5 Гбит на квадратный сантиметр при рабочей частоте до 2 ГГц.

Еще более плотно упаковать информацию исследователи надеются при сочетании электрических свойств нанотрубок с возможностью наполнения их полости магнитными материалами. Если создать сетку из взаимно пересекающихся нанотрубок, наполненных ферромагнитным материалом, возможно создание памяти с плотностью записи информации до 40 Гбит на см². А если сделать такую сетку многослойной, то емкость памяти станет просто фантастической.

Главной проблемой изделий на основе нанотрубок является переход от сверхтонких проводников к «нормальным» контактам микроразмеров. Для такого перехода между микро- и наномирами предполагается, например, создавать случайный набор контактов, нужные из которых отбираются уже по своим электрическим параметрам. Таким образом, в устройстве до 50% нанотрубок могут оказаться неработающими.

Нанотрубки получаются при пиролизе (термическом разложении) обычного метана в присутствии катализаторов. Однако в настоящее время еще не созданы технологии, позволяющие получать сами нанотрубки строго постоянных размеров с высоким выходом, поэтому требуются значительные усилия по отбору из смеси продуктов трубок нужного размера. Один из путей повышения выхода однотипных нанотрубок - использование для пиролиза растительного сырья волокнистого строения. Уже испытаны с обнадеживающими результатами различные травы; одним из перспективных материалов может быть традиционно применявшаяся для производства веревок и брезентов конопля.

Продолжение следует