Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

лапах геккона нет ничего, похожего на присос ки, которые, обеспечивали бы ящерице рошее сцепление.

Не оправдалось и предположение, что геккон бегает по стеклу, приклеива ясь к его поверхности клейкой жид костью, подобно тому, как держится на разных предметах улитка. В случае клейкой жидкости на стекле остава лись бы следы от его лап; тем более ни каких желез, способных выделять такую жидкость, на лапах геккона не обнаруже но.

Разгадка этого явления буквально разила общественность: ведь при движе

Рис 16. Геккон

нии геккончик использует законы моле кулярной физики! Ученые внимательно изучили лапку геккона

под микроскопом. Выяснилось, что она покрыта мельчайшими волосками, диаметр которых в десять раз меньше, чем диаметр человеческого волоса. На кончике каждого волоска находятся тысячи мельчайших подушечек размером всего двести милли онных долей сантиметра. Снизу подушечки прикрыты листоч ками ткани, и при большом увеличении видно, что каждый листочек покрыт сотнями тысяч тонких волосообразных щети нок. А щетинки, в свою очередь, делятся на сотни лопатообраз ных кончиков, диаметр каждого из которых всего 200 нм!

Сотни миллионов этих волосков позволяют цепляться за малейшие неровности поверхности. Даже совершенно гладкое, на наш взгляд, стекло дает гекконам достаточно возможностей зацепиться. Как оказалось, здесь работают силы Ван дер Ва альса, или, говоря иначе, силы межмолекулярного взаимодей ствия. Теория Ван дер Ваальса основывается на квантовой ме ханике. Молекулы веществ на малых расстояниях отталкивают ся, а на больших притягиваются (тот же принцип положен в ос нову работы АСМ).

Когда геккон опускает лапку на поверхность, лопаточки на концах нанощетинок столь плотно прилегают к ней, что лапка

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

как бы прилипает к вертикальной стене или потолку. Но чуть геккон напряжет мышцы и потянет лапку силы Ван дер Ва альса исчезают, и она легко отделяется от поверхности!

Силы Ван дер Ваальса очень малы, однако расположе ние волосков на пальчиках гекконов позволяет обеспечить достаточно большую поверхность взаимо действия, чтобы яще рица могла удержаться, например, на потолке при помощи всего од ного пальца своей пя типалой лапы или кон

чика хвоста.

Все это побудило исследователей к по пыткам использовать сделанное открытие.

Сотрудники американской компании iRobot сконструировали робота, который может передвигаться вертикально по стен кам аквариума. В дальнейшем планируется снабдить его ис кусственными волосками и увеличить прижимающую силу. А если удастся прикрепить к роботу хвост геккона, он сможет бегать по острым граням.

Если эксперименты по созданию ящерицеподобных робо тов будут успешными, эти механизмы можно будет использо вать в самых разных областях – от мытья окон в высотных зда ниях до путешествий по пыльным тропинкам далеких планет.

Можно положить данный принцип в основу изготовле ния липкой ленты, подобной скотчу, которую можно ис пользовать повторно и даже в вакууме (обычный скотч в космосе не работает). Ведутся разработки нового поколения так называемых “сухих клеев” с широким диапазоном ха рактеристик, которые будут обеспечивать высокую адгезию (липучесть) на основе электростатики.

Можно изготовить обувь и перчатки, прочно удерживаю щие человека на вертикальной стене. Они облегчили бы жизнь не только альпинистам и монтажникам скалолазам, но и всем остальным людям.

34

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

Фуллерены и углеродные нанотрубки

Еще Демокрит в своей атомистической концепции Все ленной обратил внимание на то, что мир состоит из множест ва “кирпичиков” химических элементов и их соединений, различающихся между собой особыми свойствами.

Как неодинаковы свойства каждого из “кирпичей мирозда ния”, так неодинаковы и их истории. Одни элементы, такие, как медь, железо, сера, углерод, известны с доисторических времен. Возраст других измеряется только веками, несмотря на то, что ими, даже не открытыми, человечество пользовалось всегда (тот же кислород, к примеру, был открыт лишь в XVIII веке). Третьи были открыты 100 200 лет тому назад, но приоб рели первостепенную важность лишь в наше время. К ним от носятся уран, алюминий, бор, литий, бериллий и др.

У четвертых рабочая биография только начинается… В 1985 году Роберт Керл, Гарольд Крото и Ричард Смолли

совершенно неожиданно открыли принципиально новое угле родное соединение – фуллерен, уникальные свойства которого вызвали целый шквал исследований. В 1996 году первооткры вателям фуллеренов присуждена Нобелевская премия.

Основой молекулы фуллерена является углерод этот уни кальнейший химический элемент, отличающийся способ ностью соединяться с большинством элементов и образовывать молекулы самого различного состава и строения. Из школьно го курса химии вам, конечно же, известно, что углерод имеет два основных аллотропных состояния: графит и алмаз. Так вот, с открытием фуллерена, можно сказать, углерод приобрел еще одно аллотропное состояние. Для начала рассмотрим структу ры молекул графита, алмаза и фуллерена.

Графит обладает слоистой структурой. Каждый его слой состоит из атомов углеро да, ковалентно связанных друг с другом в правильные шестиугольники.

Соседние слои удерживаются вместе слабыми Ван дер Ваальсовыми силами. По этому они легко скользят друг по другу. При мером этого может служить простой каран даш когда вы проводите графитовым

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

стержнем по бумаге, слои постепенно “отслаиваются” друг от друга, оставляя на ней след.

Алмаз имеет трехмерную тетраэдри* ческую структуру. Каждый атом углерода ковалентно связан с четырьмя другими. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии (154 нм) друг от друга. Каждый из них свя

зан с другими прямой ковалентной Рис19. Структура алмаза связью и образует в кристалле, каких бы размеров он ни был, одну гигантскую макромолекулу.

Благодаря высокой энергии ковалентных связей С С алмаз обладает высочайшей прочностью и используется не только как драгоценный камень, но и в качестве сырья для изготовления ме таллорежущего и шлифовального инструмента (возможно, чита телям доводилось слышать об алмазной обработке различных ме таллов).

Фуллерены получили свое название в честь архитектора Бакминстера Фуллера, который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре (поэтому их также называ ют бакиболами). Фуллерен имеет каркасную структуру, очень напоминающую футбольный мяч, состоящий из “заплаток” пяти и шестиугольной формы. Если представить, что в верши нах этого многогранника находятся атомы углерода, то мы по лучим самый стабильный фуллерен С60.

В молекуле С60, которая является наиболее известным, а также наиболее симметричным представителем семейства фул леренов, число шестиугольников равно 20. При этом каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками, а каждый шестиугольник имеет три общие стороны с шестиугольниками

36

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

По мере исследования фуллеренов были синтезированы и изучены их молекулы, содержащие различное число атомов уг лерода от 36 до 540.

Рис 21. Представители фуллеренов а) С60 b) C70 c) C90

Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году японский профессор Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получив шие названия нанотрубок.

Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углеро да, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы угле рода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Рис 22. Структура нанотрубки

Структуру нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и “склеиваем” ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут сов сем по другому). Казалось бы, что может быть проще – берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теорети ков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изу чать их и удивляться.

А удивляться было чему – ведь эти изумительные нанотруб ки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса оказались на ред кость прочным материалом. Нанотрубки в 50 100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему пове