Текст уведомления здесь

Физики описали поведение жидкости внутри нанотрубок

Группа российских исследователей сделала важное открытие в области физики углеродных нанотрубок: ученые смоделировали поведение жидкости внутри нанотрубок. Проведенные ими расчеты позволяют предсказать положение молекул жидкости и должны помочь в синтезе новых материалов.
Добавить в закладки
Комментарии
Как пояснил «Чердаку» один из авторов исследования, старший научный сотрудник лаборатории фазовых переходов в сильно коррелированных и неупорядоченных системах Института физики высоких давлений РАН Юрий Фомин, нанотрубки в сочетании с жидкостью ведут себя совсем не так, как в сухом виде. «Допирование (см. примечание редакции внизу страницы) нанотрубки той или иной жидкостью изменяет оптические, магнитные и электрические свойства системы. Таким образом, изучение влияния жидкостей на свойства нанотрубок необходимо для разработки нанотехнологических применений углеродных нанотрубок», — пояснил ученый.

В качестве жидкости исследователи выбрали бензол: «В нашей работе производилось компьютерное моделирование поведения бензола в углеродной нанотрубке с диаметром 13,78 Å (1 ангстрем = 0,1 нанометра = 10-8 сантиметра). Молекулы бензола имеют химическую формулу C_6H_6 и представляют собой плоский углеродный шестиугольник, к каждому атому которого прикреплен атом водорода. Размер молекулы бензола около 5Å — таким образом, диаметр трубки оказывается несколько больше двух диаметров молекулы. Это значит, что молекулы бензола достаточно сильно "зажаты" стенками нанотрубки, но все еще имеют возможность вращаться».

Молекула бензола, размеры в пикометрах (1000 пм = 1 нм). Однако вплотную друг к другу в жидкой фазе упаковать их сложно, поэтому исследователи указывают большее значение. Иллюстрация Haltopub / Wikimedia


В свою очередь, поведение жидкости, находящейся внутри нанотрубки, существенно изменяется. Это связано с тем, что молекулы оказываются зажатыми в узком канале, диаметр которого сравним с размерами самих молекул, что существенно влияет на движение молекул. Кроме того, имеет место взаимодействие между молекулами жидкости и стенками нанотрубки, что также влияет на поведение жидкости.

Углеродная нанотрубка, одна из возможных конфигураций. В исследовании использовались нанотрубки с одинарными стенками, но бывают и двойные, и тройные нанотрубки. Нанотрубки также классифицируют по расположению шестиугольников из атомов углерода, однако в контексте данного исследования это не столь важно, как количество стенок. Изображение: Arnero / Wikimedia


В ходе компьютерного эксперимента в углеродную нанотрубку помещались молекулы бензола, которые могли перемещаться внутри нанотрубки за счет взаимодействия с другими молекулами и стенками самой трубки. Изучая наиболее предпочтительное расположение молекул в такой системе, ученые обнаружили, что молекулы бензола выстраиваются на некотором расстоянии от центральной оси трубки. Наиболее предпочтительное расстояние до оси составило примерно 3.5Å, то есть жидкость скапливалась примерно посередине расстояния от центральной оси до стенок.

«При большем приближении молекул бензола к стенкам нанотрубки они начинают искривляться и теряют свою плоскую форму, — сообщил редакции «Чердака» Юрий Фомин. — Мы также выяснили, что в системе практически не наблюдается ориентационного упорядочения молекул бензола. Только вблизи стенок нанотрубки молекулы бензола располагаются преимущественно параллельно оси трубки. Кроме того, было получено, что в условиях достаточно узкой нанотрубки молекулы бензола практически неподвижны».

Как и предполагали ученые, наличие молекул бензола в узкой нанотрубке существенно поменяло свойства как бензола, так и всей системы в целом. Физики считают, что проведение подобных исследований позволит создавать новые материалы с заданными свойствами путем изменения допирования нанотрубок, то есть подбирая химический состав жидкости, в которую погружены нанотрубки.

Допирование — добавление того или иного вещества, которое меняет нужным образом свойства того или иного вещества. В микроэлектронике, например, допированием называют добавление в кремниевую пластину атомов другого элемента — в результате изменяются электрические свойства кристалла и в нем формируются детали будущего чипа. А в лазерных технологиях часто используется допированное стекло — стекло с примесью химических элементов, которые позволяют превратить обычное стеклянное волокно или стержень в активную среду лазера. О таком изменении стекла «Чердаку» недавно тоже рассказывали ученые.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы