Структура углеродных нанотрубок

Угол хиральности и диаметр нанотрубок

Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные структуры, состоящие из свернутых в однослойную (ОСНТ) или многослойную (МСНТ) трубку графитовых слоев. Известный наименьший диаметр нанотрубки — 0.714 нм, что является диаметром молекулы фуллерена С₆₀. Расстояние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в графите. Длина таких образований достигает десятков микрон и на несколько порядков превышает их диаметр (рис. 3). Нанотрубки могут быть открытыми или заканчиваться полусферами, напоминающими половину молекулы фуллерена.

Свойства нанотрубки определяются углом ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. На рис. 3 приведены две возможные высокосимметричные структуры нанотруб — зигзальные (zigzag) и кресельные (armchair). Но на практике большинство нанотруб не обладает такими высокосимметричными формами, т. е. в них гексагоны закручиваются по спирали вокруг оси трубы. Эти структуры называют хиральными.

Рис. 3. Идеализированные модели однослойных нанотрубок с зигзагной (а) и кресельной (б) ориентациями.

Рис. 4. Углеродные нанотрубки образуются при скручивании графитовых плоскостей в цилиндр, соединяя точку, А с А'. Угол хиральности определяется как — (а). Трубка типа «кресло», с_h= (4,4) — (б). Шаг Р зависит от угла — ©.

Существует ограниченное число схем, с помощью которых из графитового слоя можно выстроить нанотрубку. Рассмотрим точки, А и А' на рис. 4а. Вектор, соединяющий, А и А' определяется, как c_h =na₁+ma₂, где n, m — действительные числа, a₁, а₂ — единичные вектора в графитовой плоскости. Трубка образуется при сворачивании графитового слоя и соединении точек, А и А'. Тогда она определяется единственным образом вектором c_h. На рис. 5 дана схема индексирования вектора решетки c_h.

Индексы хиральности однослойной трубки однозначным образом определяют ее диаметр:

где — постоянная решетки. Связь между индексами и углом хиральности дается соотношением:

Рис. 5. Схема индексирования вектора решетки c_h.

нанотрубка углеродный графит химический Нанотрубки типа зигзаг определяются углом =0°, что соответствует вектору (n, m)= (n, 0). В них связи С-С идут параллельно оси трубки (рис. 3, а).

Структура типа «кресло» характеризуется углом = 30°, соответствующим вектору (n, m) = (2n, -n) или (n, n). Эта группа трубок будет иметь С-С связи, перпендикулярные оси трубки (рис. 3б и 4б). Остальные комбинации формируют трубки хирального типа, с углами 0°<<<30^о. Как видно из рис. 4с, шаг спирали Р зависит от угла .