How big is Вуглецева нанотрубка?

Вуглецева нанотрубка — це крихітна порожниста трубка з атомів вуглецю, з’єднаних у візерунок із шестикутників, подібно до шарів, з яких складається графіт. Одностінна нанотрубка, стінка якої завтовшки в один атом, зазвичай має в поперечнику близько 1 нанометра. Нанометр — це мільярдна частка метра. Нанотрубки набагато довші, ніж широкі: їхню довжину вимірюють у мікрометрах, тобто мільйонних частках метра.

Розмір

1 нанометр на цьому сайті — це діаметр типової одностінної нанотрубки, виміряний упоперек трубки. Ширина різниться від трубки до трубки. В одному дослідженні виміряли діаметри 34 одностінних нанотрубок: вони становили від 0,7 до 1,2 нанометра.

Багатостінні нанотрубки — це кілька трубок, вкладених одна в одну, тому вони ширші. Ті, які Суміо Іїдзіма описав 1991 року, мали від 2 до приблизно 50 стінок і в поперечнику були від кількох до кількох десятків нанометрів.

Довжина теж різниться. У дослідженні 34 трубок вимірювали лише трубки довші за 3 мікрометри, тож кожна з них була щонайменше в 2 500 разів довша, ніж широка.

Порівняння розмірів

Приблизно 80 000–100 000 одностінних нанотрубок, розташовані бік о бік, дорівнювали б за шириною людській волосині завширшки 0,08–0,1 міліметра.
Бакібол — замкнена куля з 60 атомів вуглецю — має в поперечнику близько 1 нанометра, тобто він приблизно такий самий завширшки, як типова одностінна нанотрубка.
Якби нанотрубку завширшки 1 нанометр і завдовжки 3 мікрометри збільшили до ширини людської волосини, 0,1 міліметра, вона мала б завдовжки близько 30 сантиметрів — стільки, скільки має лінійка.

Як знайшли нанотрубки

Іїдзіма повідомив про вуглецеві нанотрубки в журналі Nature 7 листопада 1991 року. Він отримав їх за допомогою електричної дуги — способу, схожого на той, яким добували бакіболи. На негативному електроді дуги росли голкоподібні трубки. Під електронним мікроскопом кожна голка виявилася набором від 2 до приблизно 50 трубок із вуглецевих шарів, вкладених одна в одну.

Шестикутники з атомів вуглецю в кожній трубці закручуються навколо неї по спіралі. Іїдзіма зазначив: виготовлення цих трубок наводить на думку, що вуглецеві структури можна будувати в масштабах, набагато більших, ніж у бакіболів.

У 1993 році про одностінні нанотрубки повідомили дві команди. Іїдзіма і Тосінарі Ітіхасі знайшли трубки завширшки близько 1 нанометра. Д. С. Бетюн із колегами, які додали до вуглецю кобальт, знайшли трубки завширшки близько 1,2 нанометра.

Спостереження за однією нанотрубкою

Окрема нанотрубка надто тонка, щоб її побачити, але деякі види нанотрубок світяться в ближньому інфрачервоному діапазоні. У дослідженні 2009 року науковці використали це світіння, щоб за допомогою флуоресцентного мікроскопа зняти на відео окремі нанотрубки у воді. Трубки згиналися туди й сюди, бо рідина навколо випадково їх штовхала; такий рух називають броунівським.

За цим згинанням дослідники встановили, що жорсткість нанотрубки зростає як куб її діаметра. Трубку вдвічі ширшу у вісім разів важче зігнути. Велика довжина нанотрубок порівняно з їхньою шириною, їхня міцність і електричні властивості роблять їх добре придатними для використання в інженерних матеріалах і в медицині.