Наноматериалы обладают уникальными свойствами и преимуществами по сравнению с обычными материалами, такими, как объемные или микрокристаллические материалы. Наноматериалы имеют высокую удельную поверхность, могут проявлять размерные эффекты, поэтому их свойства могут резко отличаться свойств объемных материалов и дмонстрировать сильную зависимость от внутренней структуры. Благодаря этому появляется возможность направленного изменения свойств наноматериалов, достижения сильного количественного изменения существующих свойств либо получения новых свойств.
Наноматериалы с каждым годом расширяют области практических применений во всех отраслях техники и технологий, имеют значительные потенциальные применения в электронике, для преобразования и хранения энергии, в телекоммуникации и информационных технологиях, в медицине, катализе и защиты окружающей среды, имеют потенциал как конструкционные и армирующие материалы.
Среди широкого спектра существующих наноматериалов особую группу по своим уникальным свойствам и обширным практическим применениям образуют углеродные наноматериалы. Как известно – углерод – уникальный элемент, способный создавать большое количество различных химических соединений, он основа органических веществ благодаря способности образовывать длинные (до сотен тысяч атомов) цепочки связанных между собой атомов – углеродные скелеты макромолекул. Это объясняется, в первую очередь, свойствами углерод-углеродной связи, прочными связями между атомами углерода. Конструкции из атомов углерода занимают особое место среди разнообразия наноматериалов и наночастиц. Примерами наноструктур на основе углерода являются фуллерены, графены, углеродные нанотрубки.
Фуллерены, образующиеся при испарении графита в атмосфере гелия – это полые замкнутые макромолекулы Cn, состоящие из углерода, и число атомов углерода n может меняться от нескольких десятков до нескольких сотен. Размер молекулы самого известного фуллерена С60 из 60 атомов углерода, образующих полую структуру в форме футбольного мяча, составляет всего около 1 нм. Фуллерен может формировать кристаллы фуллерита, в котором фуллерены – практически идеальные шарики, удерживаются вместе только слабыми Вандер-Ваальсовыми силами. Фуллерены.
Сверткой идеально ровного графитового листа, который является наиболее энергетически выгодной структурой из sp2-гибридизованных углеродных атомов, нельзя получить замкнутый многогранник, состоящий только из шестичленных циклов. Поэтому поверхность фуллерена также включает грани из пентагонов, причем если число шестиугольных граней может быть произвольным, то пятиугольных должно быть ровно 12. При синтезе преимущественно образуются молекулы С60 и С70, а также высшие фуллерены. Фуллерены достаточно хорошо растворяются в различных органических растворителях, например, в толуоле. На этом их свойстве основана техника их выделения из сажи и очистки до высокой степени чистоты, а также получения чистых фракций С60 и С70.
Фуллерены являются уникальным функциональным материалом, обладающим высокой сорбционной способностью, превосходящей сорбцию активированного угля, высокой механической прочностью и упругостью, нелинейными оптическими свойствами, высокой химической стойкостью и низкой поверхностной энергией, биосовместимостью. Фуллерен является очень сильным антиоксидантом. Фуллерены не проводят электрический ток, однако модификация поверхности фуллерена либо заполнение его внутреннего пространства атомами металлов приводит к заметному изменению физических свойств, например переходу в сверхпроводящее состояние или проявлению магнетизма. Обладая таким богатым набором уникальных свойств, фуллерены перспективны в таких областях, как электроника, оптоэлектроника и оранические полупроводники, энергетика и водородная энергетика, биохимия, медицина.
Графен – это двумерная форма углерода, он является плоским слоем толщиной в один атом, состоящим из sp2-гибридизованных атомов углерода, образующих гексагональную решетку. Графен – это атомарная плоскость, отделенная от объемного кристалла графита, кстати, впервые графен удалось получить именно благодаря слабому связыванию между графитовыми слоями. А. К. Гейму и К. С. Новоселову удалось последовательно расщепить графит на все более тонкие слои с помощью липкой ленты, а затем, растворив ее, перенести графеновые фрагменты на кремниевую подложку. За эту работу в 2010 г. им была присуждена Нобелевская премия. Графен получен также рядом других способов, таких, как эпитаксиальный рост при термическом разложении карбида кремния, эпитаксиальный рост на металлических поверхностях.
Огромный интерес к графену объясняется его уникальными свойствами, можно утверждать, во многих отношениях этот материал самый-самый… Например, подвижность носителей в нем самая высокая, в бездефектном графене реализуется баллистический (т. е. практически без рассеяния) транспорт электронов. Эффективная масса носителей в графене самая малая из-за особенности его зонной структуры, носители в нем демонстрируют квазирелятивистское поведение, описываемое уравнением Дирака. Аномальный квантовый эффект Холла можно наблюдать в графене даже при комнатной температуре. Удельная поверхность графена самая высокая. О прочности графена говорит мысленный эксперимент – по расчетам метровый лист графена может выдержать вес около 4 кг. Оптический коэффициент поглощения графена в видимой области не зависит от длины волны и определяется только фундаментальными константами: произведением числа пи на постоянную тонкой структуры, и составляет около 2%. Графен – полуметалл, а двухслойный графитовый слой – уже полупроводник.
Поэтому графен является перспективным материалом во многих областях, таких как наноэлектроника, спинтроника, сенсорика, суперконденсаторы и аккумуляторы и пр.
Среди уже реализованных прототипов перспективных устройств на основе графена можно упомянуть полевые транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеном в качестве прозрачного проводящего слоя, спиновый транзистор и многие другие.
Оксид графита (оксид графена) является соединением углерода, кислорода и водорода в различных соотношениях. Оксид графена образуется при обработке графита сильными окислителями, вызывающими его эксфолиацию — расщепление. Наиболее окисленные формы являются твёрдыми жёлтыми веществами с соотношением углерод : кислород в пределах от 2.1 до 2.9. Вследствие эксфолиации оксид графена имеет очень большую удельную площадь и перспективен для создания материала, типа бумаги, который очень прочный и проводящий, для проводящих электродов с высокой удельной площадью, для сорбентов, в фармакологии и биомедицине, в сенсорике, для армирования полимеров и т.д.
