ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СИММЕТРИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

© В.А.Шакиров, В.С.Шахматов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2016 г.

В последние десятилетия были открыты новые материалы на основе углерода: фуллерены, (Нобелевская премия за 1996 г.), углеродные нанотрубки, графен (Нобелевская премия за 2010 г.). Эти наноматериалы обладают уникальными свойствами. В настоящее время наблюдается резкий рост исследований, направленных на практическое применение

этих материалов в различных областях техники, медицины и биологии. Предполагают, что XXI век будет веком наноматериалов и нанотехнологий.

Интенсивные исследования свойств углеродных нанотрубок (далее УНТ) начались с работы S. Iijima, который в 1991 году с помощью электронного микроскопа обнаружил углеродные трубки нанометрового диаметра. УНТ на порядок прочнее стали, что позволяет, в принципе, создать на их основе космический лифт. Идея подобной конструкции была впервые высказана К.Э. Циолковским в 1895 году. Углеродные материалы легко присоединяют водород. Это позволяет создать контейнеры для экологически чистого топлива, что важно в космических исследованиях.

Теоретические исследования УНТ начались с описания их структуры и симметрии. Было показано, что структура УНТ органически связана со структурой графена. В настоящей работе продолжены наши исследования симметрии УНТ. Проведен симметрийный анализ колебаний углеродных атомов (фононов) УНТ. Именно изучение фононов позволяет найти силовые взаимодействия между атомами, которые определяют прочностные характеристики материала. Построены векторы поляризации фононов УНТ и указана их симметрия. Рассчитаны фононные дисперсионные зависимости для графена. Методом кратной зоны Бриллюэна рассчитаны фононные дисперсионные зависимости для различных УНТ. Обсуждены возможности исследования этих фононов методами оптической спектроскопии. Для УНТ с небольшим диаметром возможно точное определение векторов поляризации некоторых фононов. Подобный симметрийный анализ полезен не только для интерпретации экспериментальных данных, но и для проверки надежности теоретических моделей. Это обусловлено тем, что заключения, сделанные на основе теории симметрии, являются математически точными и не зависят от приближений физической модели.