Нанопроволоки (nanowires) и нанотрубки (nanotubes) представляют собой одноизмерные наноструктуры с характерными размерами в нанометровом диапазоне (1–100 нм) по поперечному сечению и значительной длиной по продольной оси. Их уникальные геометрические размеры определяют особые физические свойства, резко отличающиеся от свойств объемного материала.
Нанопроволоки обычно изготавливаются из металлов (Ag, Au, Cu), полупроводников (Si, Ge, GaN) и оксидов (ZnO, TiO₂). Их поперечное сечение может быть круглым, прямоугольным или многогранным. Важным параметром является диаметр нанопроволоки, который напрямую влияет на электронную и тепловую проводимость, механические характеристики и оптические свойства.
Нанотрубки, как правило, представляют собой замкнутые цилиндры с атомарной толщиной стенки. Классическим примером являются углеродные нанотрубки (CNT), которые делятся на однослойные (SWCNT) и многослойные (MWCNT). Кроме углеродных, существуют также борные, нитридные и металлические нанотрубки. Структура стенки нанотрубки и угол закрутки (chiral angle) определяют электронные свойства: металличность или полупроводниковость.
Существует несколько основных методов синтеза нанопроволок и нанотрубок, различающихся по контролю геометрических размеров, степени кристалличности и чистоте материала.
1. Каталитический рост из паровой фазы (Vapor-Liquid-Solid, VLS) Метод широко используется для синтеза полупроводниковых нанопроволок. В качестве катализатора применяются металлы с низкой температурой плавления (Au, Ni, Fe). Пары исходного материала конденсируются на катализаторе, образуя жидкие капли, из которых растет кристалл нанопроволоки. Этот метод позволяет контролировать диаметр и направление роста.
2. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD, Chemical Vapor Deposition) Применяется для нанотрубок, особенно углеродных. Газообразный предшественник (например, метан) разлагается на катализаторе при высокой температуре, образуя трубчатую структуру. Параметры температуры, давления и состава газовой смеси позволяют регулировать диаметр, количество слоев и дефектность трубок.
3. Электрохимическое осаждение Используется для металлических нанопроволок. Осаждение металла происходит в пористых матрицах (например, анодированном алюминии), которые затем растворяются, оставляя свободные нанопроволоки с высокой однородностью диаметра.
4. Солво-термические и гидротермальные методы Эти методы основаны на реакции растворов при высоком давлении и умеренных температурах. Они особенно эффективны для оксидных нанопроволок и нанотрубок, обеспечивая хорошую кристаллическую структуру и чистоту поверхности.
Электронные свойства Размерные ограничения и квантование энергии в поперечном направлении приводят к появлению дискретных уровней энергии в нанопроволоках. В полупроводниковых нанопроволоках наблюдается эффект квантового ограничения, что увеличивает эффективную ширину запрещенной зоны при уменьшении диаметра. В углеродных нанотрубках электронные свойства зависят от chirality: некоторые nanotubes проявляют металлические свойства, другие — полупроводниковые.
Оптические свойства Нанопроволоки и нанотрубки проявляют резонансные явления в оптическом диапазоне. Для полупроводниковых нанопроволок характерны сильные фотолюминесцентные эффекты, а углеродные нанотрубки демонстрируют оптические переходы между Van Hove singularities, что используется в спектроскопии и фотонных устройствах.
Механические свойства Одним из ключевых свойств является высокая прочность и упругость. Углеродные нанотрубки имеют модуль Юнга до 1 ТПа и предел прочности на разрыв порядка 100–150 ГПа, что превышает характеристики стали. Нанопроволоки металлов проявляют пластичность и возможность деформации без разрушения при микромеханических нагрузках.
Теплопроводность Высокая теплопроводность углеродных нанотрубок (до 3000 Вт/(м·К)) делает их перспективными для теплового управления в микро- и наноэлектронике. Металлические нанопроволоки также демонстрируют аномальные тепловые свойства при снижении диаметра из-за ограничения фононных спектров.
Электроника и фотоника Нанопроволоки используются в нанотранзисторах, сенсорах и светодиодах. Их одномерная природа позволяет создавать устройства с высокой плотностью упаковки и низким энергопотреблением. Нанотрубки применяются в полевых транзисторах, прозрачных проводниках и фотоэлементах.
Энергетика Использование нанопроволок и нанотрубок в батареях и суперконденсаторах позволяет увеличить площадь поверхности электродов, улучшить проводимость и ускорить перенос ионов. В солнечных элементах они способствуют повышению эффективности фотопоглощения и зарядопереноса.
Механические усилители Нанотрубки добавляются в полимерные и металлические матрицы для создания композитов с улучшенными механическими свойствами: повышенной прочностью, жесткостью и ударной вязкостью.
Биомедицина Функционализированные нанопроволоки и нанотрубки используются для направленной доставки лекарств, биосенсоров и нанотерапии раковых клеток благодаря высокой специфичности взаимодействия с биологическими молекулами.
Эффективность переноса заряда и тепла в нанопроволоках и нанотрубках сильно зависит от их взаимодействия с матрицей или субстратом. Ключевую роль играет адгезия, наличие дефектов и химическая функционализация поверхности. Контроль поверхностных свойств позволяет оптимизировать наноструктуры для конкретных приложений, например, улучшать сцепление в композитных материалах или увеличивать чувствительность сенсоров.