В космос на... саже

В космос на... саже

В июле 2002 года снова заговорили о так называемых углеродных нанотрубках - это листы графита, свёрнутые в бесшовный цилиндр, толщина стенок которого - всего один атом. По сути, это самые длинные из известных молекул, и их структура чем-то напоминает сетку для курятника, только ячейки у этой сетки совсем крошечные. Более десяти лет с углеродными нанотрубками экспериментируют учёные разных стран, в том числе и России. Но на сей раз о них вспомнили, представьте себе, в связи с… рентгеном.

Холодный рентген

В течение столетия базовая рентгеновская аппаратура оставалась практически неизменной. Мы как-то привыкли к тому, что перед аппаратом нас прикрывают защитными фартуками, свинцовыми нагрудниками и пр. А как же иначе? Ведь если рентгеновские лучи высвечивают всё, что внутри, то это означает их колоссальную проникающую способность. Перед этим излучением наше тело беззащитно.

И вот американские учёные из университета в Чеппел-Хил, что в штате Северная Каролина, вместе с компанией прикладной нанотехнологии "Applied Nanotechnologies Inc." надумали создать нечто принципиально новое или, по крайней мере, существенно улучшить рентгеновские технологии.

Эксперименты, проведённые группой учёных, показали, что рентгеновские лучи можно получать за счёт интенсивного потока электронов, испускаемого углеродными нанотрубками. Они-то и бомбардируют металлическую "мишень". Учёные уверяют, что с помощью такого прибора вполне можно создавать чёткое изображение на плёнке, и его уже удалось получить.

Каковы же преимущества такой аппаратуры с углеродными нанотрубками?

Во-первых, установка может работать при комнатной температуре, а не при 1500 или около того градусах Цельсия, с которыми ассоциируются нынешняя рентгеновская аппаратура.

"Если она будет работать так хорошо, как мы предполагаем, то скоро мы сможем делать рентгеновские аппараты намного меньшего размера и при меньших температурах, что позволит быстрее их включать и выключать", - сказал доктор физико-математических наук Отто З. Жоу, специалист по материаловедению.

Другое преимущество таких технологий состоит в том, что они намного надёжнее, долговечнее и экономичнее, поскольку расходуют меньше электроэнергии и дают более высокую чёткость изображения. "Мы считаем, что сделали колоссальный прорыв в рентгеновских технологиях, и нас это очень радует", - говорит д-р Жоу.

Доклад о новых достижениях экспериментаторов опубликован в научно-техническом журнале прикладной физики Applied Physics Letters за 8 июля 2002г.

"Выбивать" из углеродных трубок электроны начали не сегодня. Ещё в прошлом году этим в упор занялись учёные Северо-Каролинского университета, да и другие тоже. Новое здесь состоит разве что в том, что раньше никому не удавалось получить достаточное количество электронов, чтобы рентгеновское изображение было чётким. Теперь нанотрубки заменили собой традиционные металлические нити подогревателя (катода), которые прежде следовало нагревать до очень высоких температур и только потом подвергать воздействию электрического поля.

"Мы уже сделали рентгеновские снимки человеческих рук, а также рыб, - рассказывает Жоу, - и они ничуть не менее чёткие, нежели при использовании стандартных рентгеновских лучей. И мы полагаем, что наши снимки со временем станут даже более чёткими, нежели обычные, поскольку у нас более целенаправленный и легче регулируемый источник электронов. А это поможет врачам получать более детальную информацию, скажем, о сломанных костях".

Ну, а каков нынешний этап работ?

Сейчас физики трудятся совместно с промышленниками, чтобы наладить выпуск практически применимых рентгеновских установок. Предполагается, что на рынке медицинской аппаратуры новая технология появится примерно через год или два.

Важнейшим преимуществом таких приборов является возможность их миниатюризации. Это позволит делать рентген прямо на месте происшествия - ещё до того, как карета неотложной помощи увезёт пострадавших. Помимо этого, появится возможность создавать крупномасштабные рентгеновские сканирующие установки для промышленных целей, для службы безопасности в аэропортах, для таможни и т.д.

Углерод иных пород

Но что это за углеродные нанотрубки, о которых столько говорят? Немало информации о них можно найти на российских интернетовских сайтах. По описанию доктора Жоу, "это очень крепкие трубчатые структуры, сформированные из одного-единственного слоя атомов углерода, так что их диаметр составляет в среднем всего лишь около одной миллиардной доли метра".

Из школьного курса все мы знаем, что обычными формами существования углерода в свободном состоянии являются алмаз и графит, а основное отличие в их строении - наличие кристаллической решетки. Что касается углеродных нанотрубок, то всего лишь пару лет назад было широко распространено убеждение, что для многих исследователей они стали не иначе как предметом культа и что практической пользы придется ждать еще долгие годы. Похоже, эти прогнозы не оправдались. Те самые "наномальчики" и "нанодевочки", которые создавали специализированные нано-сайты и нано-бюллетени и зазывали всех желающих на нано-конференции в Интернете, всё это время дотошно копались в специфике нанотрубок, пытаясь найти им практическое применение. И нашли-таки!

Однако давайте в нескольких словах вспомним предысторию.

Углеродные нанотрубки открыл в 1991г японский исследователь Сумио Иджима. Произошло это, можно сказать, случайно. Сотрудник корпорации "NEC" изучал под электронным микроскопом осадок, который образуются на катоде при распылении графита в электрической дуге. Тут-то и обнаружились странные крошечные графитовые цилиндрики, или как бы закрытые мини-туннели, построенные из особых видов сажи. Цилиндрические стенки нанотрубки образуют сверхустойчивую структуру из шестигранных ячеек, а по краям закрыты полусферическими крышечками из семи- или восьмигранников. Открытие этих структур весьма заинтересовало учёных. Начались исследования.

Впоследствии выяснились совершенно уникальные свойства таких трубок. По прочности они значительно превосходят железо, т.е., фактически, крепки, как алмаз. По весу - легче пластика. К тому же они являются прекрасными проводниками электричества и тепла и могут использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников. Кроме того, они способны испускать электроны, благодаря чему могут найти применение в сверхтонких дисплеях.

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных более широким разнообразием форм и конфигураций. Они получили название "русской матрёшки". Синтез нанотрубок впервые удалось получить в 1996г. С тех пор работы идут в направлении управляемого синтеза. Как и органная труба, резонирующая посредством звуковых волн определённой частоты и длины, углеродная трубка тоже исполняет свою неповторимую ноту - электронную. И учёные полагают, что стоит лишь научиться управлять этим инструментом, "настраивать" мини-трубу, как перед нами откроются невиданные возможности. Можно будет создавать фантастически маленькие приборчики, способные проникать куда угодно и делать что угодно, тем более что их энергосистемы будут питаться от ещё более тоненьких проводов.

О возможности "настройки" нанотрубок ещё в августе 2001г с восторгом вещала корпорация Би-Би-Си. Предсказуемая структура углеродной трубки, её цветная, так сказать, "личная подпись" - это как бальзам на душу исследователей.

Такие "подписи" научился получать Серж Лемэй из голландского технологического университета в Делфте. Лемэй и его коллеги испытывали чрезвычайно короткие трубки - менее 40 нанометров в длину - с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM). Это один из немногих приборов, способных "видеть" строение вещества на атомарном уровне. У STM есть крохотный металлический щуп, который находит все "кочки" и "канавки" в электронной структуре трубки. Это даёт возможность "видеть", как каждый из электронов размещён на поверхности трубки. А каждая белая "лужица" на зелёном фоне соответствуют одному электрону на поверхности нанотрубки. Получаемая в итоге цветная картинка показывает, каким образом энергия электронов передаётся по этой самой трубке, диаметр которой - всего лишь, скажем, 0,7 или 1,5 - 2 нанометра (нанометр, как известно, - это миллиардная доля метра), а длина - несколько микрон.

Интерес к таким трубкам объясняется точностью тех структур, какие они образуют. Самое важное, - что модели, которые мы обнаруживаем при различных уровнях приложенной энергии, предсказуемы и воспроизводимы. И если учёные сумеют воспользоваться этими свойствами, т.е. научатся осуществлять контролируемый синтез углеродных нанотрубок, то это позволит создавать композитные материалы с невиданными ранее свойствами. Однако для начала нужно научиться изготавливать нанотрубки "на заказ" - нужного размера и состава, т.е. менять их свойства в заданном направлении. Это и означает "настраивать" трубки. И кое-что в этом отношении уже сделано и делается.

Что они могут?

Вмешательство, однако, должно быть чрезвычайно деликатным. Как говорит Серж Лемэй, это, можно сказать, вмешательство на уровне квантовой механики. Однако эти процессы можно видеть, так что цель состоит в том, чтобы сделать их управляемыми сначала на лабораторном, а потом и на производственно-технологическом уровне.

Что это даст? Например, принципиально новые типы транзисторов.

Ещё недавно учёные говорили, что судить о результатах экспериментов слишком рано. Но сегодня сплошь и рядом жизнь опрокидывает всякие прогнозы. Так произошло и в этом случае.

Уже в декабре 2001г в журнале CERN Courier было сообщение, что голландские исследователи используют наноструктуры для создания элементов электронных схем - логических ключей, микропроводов и волноводов, излучателей электронных пучков. Необычная форма и чрезвычайно малый размер углеродных наноструктур служат источником интригующих электронных свойств, среди которых - обнаруженная у них сверхпроводимость. Французские, российские и, следом, гонконгские физики доказали, что углеродные трубки при относительно высоких температурах становятся сверхпроводящими. И расчёты показывают, что чем меньше диаметр трубки, тем выше температура сверхпроводящего перехода. На основе углеродных нанотрубок уже несколько лет создаются транзисторы, диоды и другие полупроводниковые элементы. Как бы то ни было, а 20 мая 2002 года IBM объявила через журнал Applied Physics Letters о том, что в лабораториях компании созданы самые высокоскоростные на сегодняшний день транзисторы на основе углеродных нанотрубок. Доказано, что эти молекулы трубчатой формы в 50000 раз тоньше человеческого волоса по производительности могут более чем вдвое превзойти лучшие прототипы кремниевых транзисторов, существующие в настоящее время. Вот так-то!

Мониторы с плоским дисплеем, построенные на базе нанотехнологии, настолько тонки, что их можно вешать на стену. Представители корпорации "Samsung Electronics", ещё два года назад продемонстрировавшие подобный дисплей, стали пионерами этого дела. Габариты всего устройства существенно уменьшаются именно за счёт того, что здесь можно обойтись без мощного источника питания, излучение электронов в этом случае является более интенсивным и компактным, а высокая электропроводность нанотрубок позволяет использовать их для монтажа кабельной разводки. Всё это даёт основания предполагать, что со временем - в течение 15-20 лет - углерод полностью вытеснит кремний из компьютерного производства. Схемы станут компактнее, будут работать намного быстрее. Дисплеи, основанные на нанотрубках, существуют уже не только в виде прототипов: японская корпорация ISE изготавливает стадионные табло, основанные на панелях с полевой эмиссией.

Но это лишь один путь. Далее опыты пошли по пути добавления в трубки (или на трубки) других материалов, чтобы добиться более высокой температуры сверхпроводящего перехода.

Кроме углеродных сейчас умеют получать и бор-азотные нанотрубки. Во всех этих случаях результатом должны быть материалы с новыми и пока еще экспериментально не изученными свойствами. Подобно тому, как в начале 90-х годов перед квантовой химией стояла задача прогнозирования свойств чисто углеродных нанотрубок (с которой химия блестяще справилась, вызвав бурный рост экспериментальных исследований), теперь требуются расчёты существенно более сложных систем, например, - трубок, легированных металлом. Все бор-азотные нанотрубки, независимо от их геометрии, оказались широкозонными полупроводниками, на основе которых можно конструировать нано-диоды и другие элементы, способные функционировать при высоких температурах. Кроме того, трубки стали теперь фторировать, нанося фтор с внешней стороны. Это существенно изменяет их электрические и иные физические свойства. Словом, экспериментаторы постоянно ищут новых путей.

Итак, типичные области применения углеродных нанотрубок - это создание всевозможных приборов и телекоммуникационной аппаратуры с плоским дисплеем, производство высокопрочных композитных материалов, принципиально новая молекулярная электроника для следующего поколения компьютеров. Появляется возможность улучшить батарейки и аккумуляторы, но никто пока не продемонстрировал, что с новыми технологиями они и в самом деле могли бы работать лучше, а ведь сообщение о разработках Жоу и его коллег было опубликовано ещё в январском 2002г выпуске журнала Physical Review Letters. И в той же работе было показано, что электрические аккумуляторы могут быть усовершенствованы за счёт применения тончайшей стенки из углеродных нанотрубок. Эксперименты показали, что углеродные нанотрубки обладают минимум вдвое большей энергетической плотностью графита. Исследователи подвергли единичную цепь атомов углерода в нанотрубках воздействию лазерного луча. Последующей химической обработкой удалось открыть концы нанотрубок и восстановить их полную длину. Это позволило использовать диффузию литиевых ионов во внутреннем пространстве нанотрубок, что в свою очередь открывает возможности для повышенной способности хранения энергии. Данные свойства были доказаны экспериментально. Процесс создания таких нанотрубок уже запатентован Северо-Каролинским университетом.

А нельзя ли выше?

В сфере практического применения углеродных и иных нанотрубок дело, однако, тормозится стоимостью. В настоящее время один грамм нанотрубок оценивается в 100 долларов. Зато новая технология наверняка найдёт применение в тех областях, где деньги не очень-то считают. Например, в агентстве НАСА и иных щедро субсидируемых аэрокосмических или военных ведомствах.

В этом смысле можно помечтать и о возможности использования нанотрубок для создания космической трассы или "космического лифта", или хотя бы чего-то наподобие уходящего от Земли на многие километры кабеля, описанного в своё время Артуром Кларком. И такой проект, как известно, существует. В чём же его суть?

Если говорить предельно просто и кратко, то замысел состоит в том, чтобы, во-первых, запустить на околоземную орбиту космическую обитаемую станцию, которая должна как бы зависнуть над одной и той же точкой Земли. А во-вторых, протянуть от неё к Земле наипрочнейшие канаты, по ним пустить лифты, в которых мы будем переправлять людей и грузы.

Зачем это надо? А затем, что в космос (да и обратно) нам приходится доставлять немалое количество всяческих грузов. Это делается, как известно, при посредстве ракетоносителей, а потому обходится чрезвычайно дорого. Чтобы вывести даже и на низкую орбиту всего 1кг груза, нужно потратить примерно от 2,5 до 8 тысяч долларов. А у спутников и космических кораблей вес изрядный, так что всякий запуск - весьма дорогое удовольствие. Сейчас делается всё, чтобы удешевить космические исследования, и уже есть довольно смелые и интересные проекты. Тот же американский носитель "Венчур Стар" который будет стартовать вертикально, обещает быть в 10 раз дешевле, чем "Шаттл". И, говорят, примерно с 2010 года именно такие космические корабли станут перевозить на международную космическую станцию астронавтов и грузы. А потом ещё хотят построить совсем новый крылатый корабль. Этот проект известен под названием "Космический лайнер 100". Его собираются разогнать до огромной скорости ещё на земле. То есть он будет мчаться горизонтально на магнитной подушке, пока не достигнет скорости в 1000 км/ч., а потом будут по очереди включать разные виды двигателей, повышающих скорость сначала до двух, а затем и до десяти скоростей звука. И лишь после этого крылатый корабль будет выводиться на околоземную орбиту. Предполагается, что себестоимость вывода 1кг полезной нагрузки на орбиту у этого многоразового корабля третьего поколения будет раз в 100 меньше, чем у "Шаттла". И всё равно это дорого.

Другое дело - "космический мост". Или "космический лифт". В этом случае большую космическую станцию нужно будет вывести на геостационарную орбиту, т.е. она должна будет совершать оборот вокруг нашей планеты за сутки вместе с Землёй и, таким образом, окажется как бы неподвижно висящей где-то над одной точкой. Скажем, над Мальдивским архипелагом. Или над Шри-Ланкой.

Мысль о космическом мосте была впервые разработана питерским инженером Арцутановым и обнародована через "Комсомольскую правду" ещё в 1960г, но тогда казалась чистой фантастикой. В 1967г космонавт и художник Алексей Леонов в своём альбоме "Ждите нас, звёзды" изобразил космический мост в действии, снабдив иллюстрацию такой подписью: "…Спутник как бы неподвижно будет висеть над головой, всегда в одной точке неба. Если со спутника опустить трос до поверхности Земли, то канатная дорога между Землёй и небом готова. Можно построить грузо-пассажирский лифт "земля - спутник - земля". Он будет двигаться без помощи ракетных двигателей".

Но, спрашивается, где найти канаты для такой канатной дороги? Они должны быть очень уж прочными. Однако даже если взять сверхпрочную сталь, канат длиной в 36 тысяч километров неминуемо оборвётся - под собственной тяжестью. И к тому же наверняка станет смещать станцию с её орбиты. Тут нужно что-то сверхпрочное, как титан, и сверхлёгкое - легче пластика. Догадались? Правильно. Углеродные нанотрубки.

Ещё в 1996г было обнаружено, что отдельные углеродные нанотрубки могут самопроизвольно свиваться в канатики из 100- 500 волокон-трубочек, причём прочность этих канатиков оказалась больше, чем у алмаза. Точнее говоря, они в 10- 12 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Вы только представьте: нить диаметром в 1 миллиметр могла бы выдержать 20-тонный груз, в сотни миллиардов раз больший её собственного веса! Вот из таких-то ниточек и можно получить сверхпрочные тросы большой длины. Из столь же лёгких и прочных материалов можно строить и каркас лифта - гигантскую башню высотой в три диаметра Земли. По ней и пойдут на громадной скорости пассажирские и грузовые кабины - благодаря сверхпроводящим магнитам, которые, опять же, будут подвешены на канатах из углеродных нанотрубок. Колоссальный грузопоток в космос позволит начать активное освоение других планет.

Если кого-то заинтересовал этот проект, подробности (на русском языке), можно посмотреть, например, на сайте http://private.peterlink.ru/geogod/space/future.htm . Только там нет ни слова об углеродных трубках.

А на http://www.eunet.lv/library/win/KLARK/fontany.txt можно почитать роман Артура Кларка "Фонтаны рая", который сам он считал своим лучшим произведением.

Важно теперь осознать, что технически эта задача отнюдь уже не кажется неосуществимой. Нужно лишь добиться, чтобы нанотрубки стали дешевле и их можно было производить в больших количествах. Над этим и трудятся сегодня учёные во всём мире. В том числе и в России - И.В. Золотухин, П.Н. Дьячков, Д.В. Кирин и др. Но теперь хоть понятно, ради чего тратится столько усилий.

Павел Волгин

На грани невозможного 21(300)