Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Фуллерены: 20 лет спустя

Начало: 04.07.2005 | Окончание: 30.09.2005


Профессор Вуль Александр Яковлевич


Доктор физико-математических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, заведующий лабораторией Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе.

Александр Яковлевич закончил факультет полупроводниковых материалов и приборов Московского института стали и сплавов и аспирантуру Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе (г. Ленинград). В 2000-2001 годах работал в Японии в качестве приглашенного профессора.

Сфера его научных интересов – физика твердого тела, физика полупроводников и фотоэлектрических полупроводниковых приборов. С начала 90-х годов проф А. Я. Вуль специализируется на физике углеродных кластеров, которую также называют физикой новых форм наноуглерода. Последние работы ученого связаны с физикой фазовых переходов в наноалмазах детонационного синтеза, которые образуются при взрыве углеродсодержащих веществ. В 2004-м проект Физико-технического института по исследованию наноалмазов получил грант Японской правительственной организации НЕДО (NEDO). В 2006 году выйдет из печати коллективная монография Физтеха, включающая главу о наноалмазах, написанную профессором А.Вулем.

Просмотров: 7788 | Комментариев: 0


Вопросы и ответы:


Вопрос:

Андрей, научный сотрудник, Москва
Сейчас уже открыли много фуллерноподобных структур с очень интересными свойствами, не имеющих отношение к углероду. Занимается ли этими соединениями ваша лаборатория?

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
Действительно, очень интересные работы сделаны, например, по нанотрубкам из полупроводников. Однако нельзя объять необъятное, и наша лаборатория концентрируется на исследованиях наноуглеродных структур.



Вопрос:

Елена, Германия
Что за исследования Вы проводите по наноалмазам? Чем их физические свойства (а, может, химические) отличаются от обычных алмазов?

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
Начнем с того, что наноалмазы, получаемые методом детонации из углерода взрывчатых веществ, а именно ими мы и занимаемся, отличаются чрезвычайно узким распределением частиц по размерам. Основная масса частиц имеет размер около 4 нанометров. Само по себе это было загадкой, и ответ на нее был получен относительно недавно. В одной такой частице около 10 тысяч атомов углерода, и, разумеется, значительная доля атомов расположена, как и во всякой наночастице, на ее поверхности. Поэтому поверхностные свойства такой частицы играют крайне важную роль. Более того, химические свойства поверхности могут быть модифицированы.

Наша группа в Физико-техническом институте изучала структуру такой частицы, структурные фазовые переходы от алмаза к графиту. Оказалось, что фазовый переход происходит в последовательности решетка алмаза – луковичная форма углерода – графит. В зависимости от параметров синтеза структура приповерхностной области частицы существенно изменятся, а кристаллическое алмазное ядро сохраняется.

Разумеется, крайне трудно получить стабильные суспензии частиц размером в 4 нм, они агрегируют (т.е., объединяются в группы). Эту важную с практической точки зрения проблему удалось решить в рамках наших совместных работ с коллегами из Японии.

Поняв структуру, мы начали работы по интеркалированию наноалмазов примесями, что очень интересно для ряда практических приложений.

Подробно о наноалмазах Вы можете прочитать в трудах Международного семинара, который состоялся летом 2004 в С.Петербурге. В нем участвовали практически все группы, занимающиеся этим уникальным материалом. Все данные вы можете найти на сайте: http://www.ioffe.ru/nanodiamond


Вопрос:

Сергей Иванович, инженер, г. Владимир
Уже 20 лет говорят о перспективах использования фуллеренов, когда же начнется их реальное применение?

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
Думаю, что от фундаментального открытия (то есть принципиально нового, неожиданного результата) ждать коммерческого применения быстро нельзя.

Возьмем, например, цифровые фото- или видео камеры. Их сердце – фоточувствительные кремниевые матрицы на основе приборов с зарядовой связью (в английской транскрипции charge coupled devices - CCD). Когда была предложена идея таких приборов? В научной статье, опубликованной в 1969 году. Когда такие приборы появились на рынке? В конце 80-х годов. То есть, через 15 лет. При этом технология кремниевых полевых транзисторов уже успешно развивалась, и в ее развитие были вложены огромные ресурсы. Более того, идею приборов с зарядовой связью после создания полевого транзистора уже нельзя назвать революционной. Или другой пример – магнитная компьютерная томография, теперь применяемая в медицине. В ее основе лежит метод ядерного магнитного резонанса, открытый в конце тридцатых годов прошлого века, а сами томографы появились сравнительно недавно. Можно привести еще много подобных примеров.

Теперь о фуллеренах. Их реальные исследования во всем мире начались с конца 1990 года, когда был предложен доступный метод их получения в макроколичествах. 10 лет ушли на разработку промышленной технологии и на исследования всей группы новых – наноуглеродных материалов – полых углеродных кластеров. К ним относятся и сами фуллерены и нанотрубы, и луковичная форма углерода и углеродные рожки, к открытию которых привело открытие фуллеренов. Именно сейчас в этой области начинается направленный переход от чисто фундаментальных исследований к прикладным. В 2001-2002 годах в Японии построен завод по производству фуллеренов в объеме десятков тонн, выпускаются первые партии изделий, в которых фуллерены используются как компонент новых композитных материалов. Применение нанотруб в транзисторах нового поколения прогнозируют на 2010-2015 годы. Об этом могу судить по недавно услышанному докладу на 29-ой Фуллереновой конференции в Японии. В области наноуглеродной технологии сейчас идет соревнование между США, Южной Кореей и Японией. Хотелось бы надеяться, что Россия будет участвовать в нем. По существу, сейчас в развитых промышленных странах ведутся поиски применения фуллеренов, которые будут максимально выгодны с коммерческой точки зрения.


Вопрос:

Евгений, Владивосток
Какая связь между фуллеренами и нанотрубками?

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
И фуллерены, и нанотрубки представляют собой полые углеродные кластеры. Наиболее популярные и изученные фуллерены из 60 и 70 атомов углерода (С60 и С70) похожи по форме на покрышку традиционного футбольного мяча и мяча для американского футбола, то есть их форма близка к сферической. Только диаметр этих мячей около 0,7 нанометров. Нанотрубки – по форме цилиндры, причем длина может в тысячи раз превышать диаметр, который также около 0.7 нанометров. Поэтому «крышечками» таких цилиндров могут быть «половинки» фуллеренов.

Интересно, что первый рисунок в двухстраничной статье Гарольда Крото, Ричарда Смолли и Роберта Керл об открытии фуллеренов, опубликованной в журнале Nature в 1985 году, за которую в 1996 году им была присуждена Нобелевская премия, представлял собой фотографию футбольного мяча.


Вопрос:

Игорь, бывший научный сотрудник, Москва
Какую "нишу" в исследованиях фуллеренов занимает Россия? Вряд ли скудных средств, выделяемых на науку, хватает на проведение исследований, требующих серьезной экспериментальной базы.

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
Во-первых, должен отметить, что классический фуллерен из 60 атомов углерода (похожий на футбольный мяч, в узлах покрышки которого расположены атомы углерода) был теоретически предсказан в СССР 1972 году сотрудниками Института элементорганических соединений АН СССР - Д. Бочваром, Е. Гальперн и И.Станкевичем в Москве. Соответствующая работа опубликована в Докладах Академии наук. Это была вторая публикация о возможной новой аллотропной модификации углерода. Первая появилась в одностраничной статье японского ученого Эйдзи Осава (Eiji Osawa) в 1970 году. В России исследования фуллеренов ведутся с момента зарождения этой научной проблемы. В 1992 году по инициативе ученых Санкт-Петербурга (С. Козырев, В. Леманов и автор этих строк) они были объединены в поисковую научную программу, поддержанную Минпромнауки РФ. Своевременная государственная поддержка привела к тому, что за прошедшие годы в России создано научное сообщество - признанные во всем мире коллективы исследователей из Санкт-Петербурга, Москвы, Черноголовки, Нижнего Новгорода, Новосибирска и других городов России, работающие по этой тематике. В рамках программы Минпромнауки раз в два года, начиная с 1993 года, проходит конференция «Фуллерены и атомные кластеры» - крупнейший международный форум в этой области. На первые же конференции в 1993 и 1995 годах в Петербург приехали все основоположники мировой науки о фуллеренах и нанотрубах – Крото, Кретчмер с Хаффманом, Станкевич из Москвы и Осава с Иидзимой (Iijima) из Японии. Именно тогда был заявлен высокий уровень российской науки о фуллеренах, именно тогда родились те контакты, которые сегодня позволяют высоко держать планку этих работ в России. Например, на конференции в 2003 году с обзорным докладом «10 лет химии фуллеренов. Что они показали?» выступил известный английский химик Роджер Тейлор. Характерно название доклада: отсчет велся с конференции 1993 года в Санкт-Петербурге, и первые 5 минут докладчик говорил по-русски! Выучил наизусть свой текст в знак уважения к российскому фуллереновому сообществу. На IWFAC’2005, в июле этого года, доклады представили основоположники направления по фуллереновым солнечным элементам – Ф.Вудл (F.Wudl, США) и С. Саритифти (S. Saritifti, Австрия), представители группы Иидзимы и другие признанные мировые лидеры научных исследований в области наноуглерода. Это означает, что до настоящего времени им, как и другим иностранным участникам конференции, важно знакомиться с российскими исследованиями. Существенно, что государственная поддержка и указанная ежегодная конференция позволили успешно интегрировать российское фуллереновое сообщество в мировое. Достаточно сказать, что в последних конференциях участвовали российские руководители 17-ти европейских проектов INTAS. Кстати, финансирование в рамках международных проектов сыграло существенную роль в развитии исследований по наноуглероду. Вы можете ознакомиться с работами, представленными на последней 7-ой конференции IWFAC’2005 в Интернете (http://www.ioffe.ru/IWFAC). Разумеется, нельзя отрицать, что финансирование исследований по проблеме наноуглерода в США, Европе, Японии и Китае во много раз превышает то, которое было в прошедшие годы в России. Могу говорить об этом, основываясь на личных впечатлениях, как председателя программного комитета IWFAC, и как человека, проработавшего год в лаборатории профессора Осавы в Японии. Согласен с Вами - в последние два-три года исследования в области наноуглерода стали частично переходить от чисто фундаментальных к прикладным. Теперь требуется другой уровень аналитической аппаратуры. Теперь приход молодежи в науку ограничен мизерными зарплатами по сравнению с любой другой сферой деятельности в России (от кондуктора в трамвае, до, тем более, инженера в промышленности), и мы реально столкнулись с проблемой потери всего наработанного за 10 лет потенциала.


Вопрос:

Сергей, студент, г. Воронеж
Александр Яковлевич, не могли бы Вы объяснить, чем так интересны фуллерены?

Ответ:

Профессор Вуль Александр Яковлевич
Фуллерены (замкнутые полые углеродные структуры) интересны во многих отношениях, наверное, разные исследователи, подчеркнут то, что им ближе или ценнее.

Практически, широкое исследование фуллеренов началось в мире с 1990 года, когда два ученых Вольфганг Кретчмер и Дональд Хаффман (Wolfgang Kraetchmer and Donald Huffman) со своими аспирантами, опубликовали в одном из самых престижных научных журналов (Nature) статью, в которой описали метод получения фуллеренов испарением графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия.

Предложенный метод достаточно прост и доступен практически для любой физической лаборатории. Достаточно иметь откачиваемую камеру, баллон газообразного гелия, графитовые электроды и источник тока до сотни ампер. Фуллерены, находящиеся в получаемой на стенках камеры углеродной саже растворяются в органическом растворителе, обычно в толуоле или ксилоле. Их там не так много, без особых ухищрений это всего 5-7 %. Такой раствор фуллеренов имеет красноватый оттенок. После простого выпаривания вы получаете порошок, содержащий смесь фуллеренов. Опять же без особых ухищрений в нем около 80% фуллеренов, состоящих из 60 атомов углерода (фуллерен С60) около 20% фуллеренов С70 и 1-2% фуллеренов, состоящих из большего числа атомов.

Как видите, все достаточно просто, если забыть о том, что с открытия фуллеренов в 1985 году ученые (начиная с первооткрывателей и будущих (в 1996 г.) Нобелевских лауреатов Гарольда Крото (Англия), Ричард Смолли и Роберт Керл (США)) в течение пяти лет безуспешно пытались найти какой-либо метод получения фуллеренов в макроскопических количествах.

Так вот, интересный вопрос, сформулированный еще Крото, в одной из первых статей: «Почему и как из хаоса углеродных атомов в плазме дугового разряда, формируются такие совершенные полые структуры как фуллерены?».

На этот вопрос до настоящего времени нет однозначного и общепринятого ответа, хотя и предложены различные модели процесса. Теперь известно, что в этом дуговом методе на катоде образуются и углеродные нанотрубки, что на поверхности графита при определенных условиях могут быть получены многослойные фуллерены (фуллерен в фуллерене), так называемая луковичная форма углерода. Более того, экспериментально показано, что из луковичной формы углерода под электронным лучом могут быть получены алмазные кристаллики размером в несколько нанометров (10-9м). Поэтому вопрос о стабильности различных форм углерода, о природе и механизмах структурных фазовых переходов между ними, был и останется принципиально интересным для исследователей.

Но я упомянул только одну группу вопросов, интересных для исследователей. Таких вопросов, по каждой проблеме, связанной с «нано-состояниями» углерода, существует множество. Недаром в мировой научной литературе уже принят новый термин «наноуглерод» (nanocarbon) для обозначения семейства, состоящего из различных типов фуллеренов, углеродных нанотруб, нанографита, наноалмазов, углеродных «луковиц». По существу, открылся целый мир новых углеродных наноматериалов, которые могут быть получены в лаборатории (теперь уже и в промышленных масштабах), которые интересны как «кирпичи» для современных нанотехнологий. Почему именно нанотехнологий? Просто потому, что характерные размеры этих «кирпичей» - от долей до единиц нанометра. Это действительно новый мир материалов, наноблоки для умелого конструктора. Именно поэтому в промышленно развитых странах углеродным нанотехнологиям уделяют столько внимания, именно поэтому каждый год в мире проводится несколько международных конференций по наноуглероду.

Области применения наноуглерода простираются от биологии и медицины (ведь одним из основных элементов всего живого является углерод!), до нового поколения электроники и машиностроения.

Большая часть литературы о наноуглероде издавалась в последнее десятилетие на английском языке, поэтому с особым удовольствием могу рекомендовать ряд недавно изданных по этому вопросу книг на русском языке.

Коллективная монография сотрудников МГУ «Фуллерены», издательство «Экзамен», Москва 2004г. В этой монографии больше внимания уделено химическим проблемам.

П.Харрис. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Пер с английского. «Техносфера» Москва. 2003г.

В.Ю.Долматов. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза. С.Петербург. Издательство СПбГПУ, 2003 г.

Учебное пособие. Т.Л.Макарова, И.Б.Захарова. Электронная структура фуллеренов и фуллеритов. С.Петербург. Изд-во «Наука» 2001г.





Перейти к обсуждению на форуме >>