Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из графитоподобных слоев, свернутых в трубку диаметром от 0,4 до 50 нм и длиной до нескольких микрометров. Основная классификация УНТ осуществляется по числу стенок:
УНТ также классифицируются по хиральности — углу закручивания графенового слоя:
Хиральность напрямую влияет на электрические свойства: armchair-нанотрубки обладают металлической проводимостью, zigzag и chiral могут быть полупроводниками.
Механические свойства: УНТ демонстрируют исключительную прочность на растяжение — до 100 раз выше стали при меньшем весе. Модуль Юнга достигает 1 ТПа для одностенных нанотрубок.
Электрические свойства: Одностенные УНТ проявляют как металлические, так и полупроводниковые свойства в зависимости от хиральности. Многостенные нанотрубки в основном ведут себя как металлы, но их проводимость может быть ограничена дефектами слоев.
Тепловые свойства: Теплопроводность вдоль оси трубки достигает 3000–3500 Вт/(м·К), что превышает проводимость меди.
Химическая активность: Несмотря на высокую стабильность, концы и дефекты стенок активно участвуют в химических реакциях, что позволяет проводить функционализацию и синтез композитов.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) — основной промышленный метод, включающий разложение углеродсодержащих газов (метан, этан, ацетилен) на катализаторе (Fe, Co, Ni) при температурах 600–1000 °C. Позволяет контролировать рост, диаметр и ориентацию УНТ.
Метод дугового разряда — электрическая дуга между графитовыми электродами в инертной атмосфере приводит к образованию УНТ с высокой кристалличностью. Используется преимущественно для SWCNT.
Лазерное испарение — графитовый мишень с катализатором испаряется лазером, образуя высококачественные одностенные нанотрубки. Метод позволяет получить УНТ с узким распределением диаметров.
Гидротермальные и плазменные методы — обеспечивают контроль морфологии и химического состава, применяются для функционализированных или гибридных структур.
Химическая функционализация повышает растворимость УНТ и их совместимость с полимерами и металлами:
Функционализация критична для применения в композитах, электронике, сенсорах и медицине.
Электроника и сенсорика: УНТ используются в полупроводниковых устройствах, транзисторах, нанопроводах и сенсорах газов благодаря высокой подвижности носителей заряда и большой удельной поверхности.
Композиты и материалы: Включение УНТ в полимеры, металлы и керамику повышает прочность, термостойкость и электропроводность.
Энергетика: УНТ применяются в суперконденсаторах, аккумуляторах литий-ионного типа и топливных элементах благодаря высокой проводимости и стабильности.
Медицина и биотехнологии: Функционализированные нанотрубки используют для таргетированной доставки лекарств, визуализации клеток и фототермической терапии опухолей.
Микроскопия: TEM и SEM позволяют изучать морфологию, диаметр и количество стенок. Раман-спектроскопия: Определяет хиральность, наличие дефектов и степень кристалличности. Термогравиметрический анализ (TGA): Используется для оценки термостабильности и содержания функциональных групп. Электрические измерения: Измерение проводимости и мобильности носителей заряда для оценки электронных свойств.
Развитие методов синтеза с точным контролем хиральности и диаметра, улучшение функционализации без разрушения структуры, интеграция УНТ в гибкую электронику, биомедицинские платформы и каталитические системы остаются ключевыми направлениями нанохимии углеродных нанотрубок.