Углеродные нанотрубки


Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров[1][2] (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины[3]), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Любую одностенную углеродную нанотрубку можно представить в виде выкройки из листа графена (представляющего собой сетку из правильных шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода), которая задаётся парой чисел (n, m), называющихся индексами хиральности. Индексы хиральности (n, m) при этом являются координатами радиус-вектора R в заданной на графеновой плоскости косоугольной системе координат, определяющего ориентацию оси трубки относительно графеновой плоскости и её диаметр.

Диаметр нанотрубки рассчитывается по диаметру цилиндра, длина окружности которого равна длине вектора R и выражается через индексы хиральности (n, m) как:

где = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости.

Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла α между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. При этом выбирается наименьший угол, такой что 0° ≤ α ≤ 30°. Однако в этом случае для полного описания геометрии нанотрубки необходимо указать её диаметр[4].

В русскоязычной литературе встречается ошибочное приписывание зубчатым нанотрубкам α = 0° и зигзагообразным трубкам α = 30° (2n, n), распространившееся из обзорной статьи А. В. Елецкого[6].


Схематическое изображение нанотрубки
Kohlenstoffnanoroehre Animation.gif
Типы нанотрубок
Для получения нанотрубки (n, m), графеновую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть ленту вдоль направления вектора R.
Multi-walled Carbon Nanotube.png
Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0, часть E(k)<0 получается отражением в плоскости kx, ky.
Сверху: Дираковские точки в зонной структуре графена Снизу: Выделение в зонной структуре графена разрешённых k-состояний в случае полупроводниковой (слева) и металлической (справа) углеродной нанотрубки.