1D углерод

http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_18/perst.htm#P_9_18_16

Выделение одномерных углеродных цепочек из графенов

Открытие графенов подстегнуло фантазию исследователей, которые ищут возможности получения и исследования новых углеродных структур. Естественным шагом на этом пути является переход от двумерных объектов, каковыми являются графены, к одномерным системам, представляющим собой протяженную цепочку из атомов углерода, соединенных между собой химической связью. До сих пор подобные объекты изучали лишь теоретически, поскольку не существовало ни эффективного способа их синтеза, ни достаточно надежных подходов к экспериментальному подтверждению такого синтеза. Решение описанной проблемы удалось получить сотрудникам Nanotube Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, (Япония), под руководством одного из первооткрывателей углеродных нанотрубок (УНТ) проф. Sumio Iijima [1]. В качестве исходного материала использовали графеновые хлопья, содержащие от 4 до 20 слоев. Такие хлопья являются побочным продуктом синтеза УНТ электродуговым методом. Суспензию небольшого количества сажи, содержащей подобные хлопья, в этаноле, обрабатывали ультразвуком с целью отделения графенов друг от друга. Каплю полученной жидкости наносили на углеродную сетку, которую помещали в камеру просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) для наблюдений и манипуляций. Графены, находящиеся на сетке, облучали сфокусированным электронным пучком с энергией от 80 до 120 кэВ при плотности тока около 100 А/см², что приводило к частичному разрушению графенов и образованию узких графеновых нанополосок (ГНП). Во избежание полного разрушения ГНП их дальнейшая обработку проводили при пониженной плотности электронного тока в пучке (около 4 А/см²). Как показывают наблюдения, выполненные с помощью ТЕМ высокого разрешения, в результате такого воздействия образуются цепочки шириной в один либо два атома углерода. Детальное изучение динамики формирования таких цепочек под воздействием электронного облучения показывает, что на первой стадии процесса на поверхности графенов образуются отверстия, разделенные перешейком шириной около 1.7 нм, что соответствует графеновой полоске шириной в 6-7 атомов углерода. Дальнейшее облучение сопровождается уменьшением ширины полосок и в некоторых случаях приводит к образованию одномерных цепочек углерода. Одна из таких цепочек имела длину 2.1 нм, что соответствовала 16 атомам углерода, и вела себя подобно упругой струне. Контакт между концом цепочки и краем соседнего графена имел нестабильный характер, так что цепочка мигрировала вдоль поверхности графена дискретными скачками, длина которых соответствовала расстоянию между атомами углерода. Такая цепочка в течение примерно 100 с выдерживала облучение электронным пучком с энергией 120 кВ и плотностью тока 4 А/см², после чего разрушалась.

Результаты квантовохимических расчетов длин межатомных связей для структуры из двух графеновых плоскостей, соединенных одномерной углеродной цепочкой. Длины связей указаны в Å.

Результаты квантовохимических расчетов, выполненных методом функционала плотности, указывают на зависимость длины межатомных связей в углеродной цепочке от координаты. Эта зависимость проявляется, в частности, в структуре, представленной на рисунке, которая представляет собой две графеновые плоскости, соединенные углеродной цепочкой. Увеличение длины межатомной связи С–С по мере приближения к краю цепочки объясняет тот факт, что наблюдаемое на эксперименте разрушение углеродной цепочки под действием электронного облучения происходит не в центральной области, а вблизи концов. Структура, изображенная на рисунке, может рассматриваться как иллюстрация возможного применения одномерных углеродных цепочек, которые могут служить соединительными элементами в наносхемах, элементами которых служат графены.