A kalickaszerű - ötszögeket és hatszögeket tartalmazó - szén-molekulákból álló anyagok, az ú.n. fullerének vizsgálata immár évek óta az anyagtudományi kutatások élvonalába tartozik, elég csak az 1996-os kémiai Nobel-díj odaítélésére utalni. A sokféle módosulat közül jelenleg a szén nanocsövek váltják ki a legnagyobb érdeklődést.

Szén nanocsöveket először még a "hagyományos" fullerének előállítása során figyeltek meg, a keletkezett termékről készült elektronmikroszkópos felvételeken [1]. Ezek koncentrikusan egymásba ágyazott csövek voltak, amelyek száma esetenként a tízet is meghaladta. Az ilyen sokfalú nanocsövek külső átmérője 2 és 20 nm közé esik, hosszuk pedig akár a több mikront is elérheti. A kutatások igazából akkor lódultak meg, amikor lehetővé vált egyfalú nanocsövek előállítása megfelelő katalizátorral adalékolt grafit lézeres elpárologtatásával [2].

Az egyfalú csövek egy lehetséges származtatása a fullerénszerű molekulákból kiindulva történhet. A két legstabilabb fullerén molekulát, a futballabda-szerű C₆₀-at és a rögbilabda-szerű C₇₀-et összehasonlítva látható, hogy az utóbbi megkapható az előbbiből, ha a C₆₀ molekulát középen kettévágjuk, széthúzzuk és betoldunk egy öt darab hatszögből álló "övet". Ha egy ilyen öv helyett nagyon sokat toldunk be, egy csupa hatszögből álló hosszú csövet kapunk, amit a két végén egy-egy fél C₆₀ "sapka" zár le (lásd 1. ábra felső része). A félbevágás egy ötfogású tengely helyett egy háromfogású tengelyre merőlegesen is elvégezhető, ilyenkor kilenc darab hatszögből álló gyűrűk beillesztésével egy másfajta szimmetriájú nanocső nyerhető, amint az az 1. ábra alsó részén látható. Természetesen nagyobb átmérőjű csövek is léteznek, amelyek végéhez másfajta fullerénrészlet illeszthető.

Ha a cső végét lezáró sapkáktól eltekintünk, maga a hengeres rész mindig csupa hatszögekből áll és az általános esetben egy grafit síkból megfelelő felcsavarással származtatható. Attól függően, hogy a felcsavarás során a grafit sík melyik két szénatomja kerül fedésbe, különböző fajtájú nanocsövek nyerhetők. Az említett két szénatomot összekötő ú.n. kiralitási vektor a grafit sík két elemi rácsvektorára vonatkoztatva két egész számmal adható meg. A nanocsövek - az (n,m) számpártól függően - három osztályba sorolhatók. Az n=m csövek karosszék ("armchair") típusúak. A cső hossztengelye ilyenkor merőleges a C-C kötések egy részére. Az 1. ábra felső felén például egy (5,5) karosszék típusú nanocső látható. Ha n és m közül valamelyik =0, kapjuk a cikk-cakk csöveket. A nanocső hossztengelye ilyenkor párhuzamos a C-C kötések egy részével. Az 1. ábra alsó fele egy (9,0) cikk-cakk típusú csövet mutat. Az összes egyéb fajta cső képezi a csavarmenetszerű, királis nanocsövek osztályát.

a b

A szén nanocsövek ideális objektumok a napjainkban divatos nanotechnológiai vizsgálatok számára. Pásztázó szondás mikroszkópiával az egyedi nanocsövek láthatóvá tehetk [3] st manipulálhatók. Rugalmas és plasztikus deformációs tulajdonságai érdekesek. Young-modulusza minden eddig ismert anyagénál nagyobb. Egy szén nanocs akár 180 fokkal is ide-oda hajlítható, anélkül hogy eltörne. A szén nanocsövek elektromos tulajdonságai drasztikusan megváltozhatnak alig észrevehet szerkezeti változások hatására. A karosszék csövek fémes jellegűek, a cikk-cakk illetve királis csövek közül is azok, amelyekre n-m osztható hárommal. A többi cs félvezet tulajdonságú. Például egy karosszék cs kiralitását egy beépített hiba segítségével megváltoztatva nanométeres skálán hozható létre fém-félvezet átmenet. A szén nanocsövek különleges tulajdonságaik révén számtalan potenciális alkalmazási lehetség ígéretével kecsegtetnek.

Ebben az előadásban részben egy rövid irodalmi áttekintést szeretnék adni, részben pedig saját Raman-spektroszkópiai s kvantumkémiai vizsgálataink eredményeit [4,5] bemutatni.

Hivatkozások:

[1] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).

[2] A. Thess et al, Science 273, 483 (1996).

[3] J.W.G. Wildöer et al, Nature 391, 59 (1998).

[4] H. Kuzmany, B. Burger, M. Hulman, J. Kürti, A.G. Rinzler and R.E. Smalley, Europhys. Lett.-nek elküldve.

[5] J. Kürti, H. Kuzmany and G. Kresse, Phys. Rev. B-nek elküldve.