Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Глухова О. Е., Герасименко А. Ю., Слепченков М. М. Многостенные углеродные нанотрубки с индексами хиральности стенок (m, 2m): упругие и электропроводные свойства // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2026. Т. 26, вып. 1. С. 84-92. DOI: 10.18500/1817-3020-2026-26-1-84-92, EDN: SADIBL

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.03.2026
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 12)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.9
DOI: 
10.18500/1817-3020-2026-26-1-84-92
EDN: 
SADIBL

Многостенные углеродные нанотрубки с индексами хиральности стенок (m, 2m): упругие и электропроводные свойства

Авторы: 
Глухова Ольга Евгеньевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Герасименко Александр Юрьевич, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Слепченков Михаил Михайлович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Многостенные углеродные нанотрубки, характеризующиеся большой удельной площадью поверхности, превосходной адсорбционной способностью, высокими показателями прочности на разрыв, тепло- и электропроводности, находят применение в наноэлектронике, энергетике, катализе, сенсорике, а также в различных биомедицинских приложениях. В данной работе рассматривается новая конфигурация многостенных углеродных нанотрубок с разным количеством стенок – с индексами хиральности (m, 2m) с шагом по числу m, равным 3, обеспечивающим ван-дер-ваальсовое межстенное расстояние ∼3.4 Å и одинаковый шаг трансляции 11.35 Å по оси многостенной нанотрубки. Исходными данными для построения атомистических моделей послужили результаты проведённого натурного эксперимента по синтезу массивов многостенных углеродных нанотрубок методом плазменного химического осаждения паров из газовой фазы. Все теоретические исследования проводились с применением метода функционала плотности в приближении сильной связи с самосогласованием заряда. Показано, что при однородной упругой деформации растяжения подобных многостенных нанотрубок, стенки которых имеют одинаковый угол хиральности, наблюдается незначительное (в пределах нескольких сотых долей терапаскаля) увеличение модуля Юнга с изменением количества стенок от 1 до 8. При этом с ростом диаметра внутреннего канала от 2 до 6 нм происходит увеличение модуля Юнга от 1.7 до 2.2 ТПа. Установлен убывающий характер сопротивления нанотрубок с увеличением числа стенок и выходом его на насыщение вблизи значения 1 кОм при 8 стенках. Полученные результаты открывают широкие перспективы применения многостенных углеродных нанотрубок со стенками типа (m, 2m) (шаг изменения m равен 3) в устройствах гибкой и растяжимой электроники.

Ключевые слова: 
многостенные углеродные нанотрубки
хиральность
модуль Юнга
электрическое сопротивление
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-00963, https://rscf.ru/project/25-29-00963/).
Список источников: 
  1. Iijima S. Helical Microtubules of Graphitic Carbon. Nature, 1991, vol. 354, pp. 56–58. https://doi.org/10.1038/354056a0
  2. Hughes K. J., Iyer K. A., Bird R. E., Ivanov J., Banerjee S., Georges G., Zhou Q. A. Review of carbon nanotube research and development: Materials and emerging applications. ACS Appl. Nano Mater., 2024, vol. 7, iss. 16, pp. 18695–18713. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c02721
  3. Kurita H., Estili M., Kwon H., Miyazaki T., Zhou W., Silvain J. F., Kawasaki A. Load-bearing contribution of multi-walled carbon nanotubes on tensile response of aluminum. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 2015, vol. 68, pp. 133–139. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2014.09.014
  4. Shoukat R., Khan M. I. Carbon nanotubes: A review on properties, synthesis methods and applications in micro and nanotechnology. Microsyst Technol., 2021, vol. 27, pp. 4183–4192. https://doi.org/10.1007/s00542-021-05211-6
  5. Muradyan N. G., Gyulasaryan H., Arzumanyan A. A., Badalyan M. M., Kalantaryan M. A., Vardanyan Y. V., Laroze D., Manukyan A., Barseghyan M. G. The effect of multi-walled carbon nanotubes on the compressive strength of gement mortars. Coatings, 2022, vol. 12, iss. 12, art. 1933. https://doi.org/10.3390/coatings12121933
  6. Colbert D. D. T., Zhang J., McClure S. M., Nikolaev P., Chen Z., Hafner J. H., Owens D. W., Kotula P. G., Carter C. B., Weaver J. H., Rinzler A. G., Smalley R. E. Growth and sintering of fullerene nanotubes. Science, 1994, vol. 266, iss. 5188, pp. 1218–1222. https://doi.org/10.1126/science.266.5188.1218
  7. Syduzzaman M., Islam Saad M. S., Piam M. F., Talukdar T. A., Shobdo T. T., Pritha N. M. Carbon nanotubes: Structure, properties and applications in the aerospace industry. Results Mater., 2025, vol. 25, art. 100654. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2024.100654
  8. Tao Z., Zhao Y., Wang Y., Zhang G. Recent advances in carbon nanotube technology: Bridging the gap from fundamental science to wide applications. C, 2024, vol. 10, iss. 3, art. 9. https://doi.org/10.3390/c10030069
  9. Dubey R., Dutta D., Sarkar A., Chattopadhyay P. Functionalized carbon nanotubes: Synthesis, properties and applications in water purification, drug delivery and material and biomedical sciences. Nanoscale Adv., 2021, vol. 3, iss. 20, pp. 5722–5744. https://doi.org/10.1039/D1NA00293G
  10. Huang J. Y., Chen S., Jo S. H., Wang Z., Han D. X., Chen G., Dresselhaus M. S., Ren Z. F. Atomic-scale imaging of wall-by-wall breakdown and concurrent transport measurements in multiwall carbon nanotubes. Phys. Rev. Lett., 2005, vol. 94, art. 236802. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.236802
  11. Masyutin A. G., Bagrov D. V., Vlasova I. I., Nikishin I. I., Klinov D. V., Sychevskaya K. A., Onishchenko G. E., Erokhina M. V. Wall thickness of industrial multi-walled carbon nanotubes is not a crucial factor for their Degradation by sodium hypochlorite. Nanomaterials, 2018, vol. 8, iss. 9, art. 715. https://doi.org/10.3390/nano8090715
  12. Qin C., Tian Z., Luo X., Xie Q., Nie T., Guo X. First-principles study of electronic structure of double-walled and single-walled carbon nanotubes. Ceramics International, 2021, vol. 47, iss. 2, pp. 2665–2671. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.115
  13. Yamamoto G., Chen Y., Kunitomo A., Shigemitsu N., Shindo T. Decreasing vacancy-defect sensitivity in multi-walled carbon nanotubes through interwall coupling. Carbon Trends, 2023, vol. 11, art. 100266. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2023.100266
  14. Sakharova N. A., Pereira A. F. G., Antunes J. M., Fernandes J. V. Mechanical characterization of multiwalled carbon nanotubes: Numerical simulation study. Materials, 2020, vol. 13, iss. 19, art. 4283. https://doi.org/10.3390/ma13194283
  15. Qiu L., Ding F. Understanding single-walled carbon nanotube growth for chirality controllable synthesis. Acc. Mater. Res., 2021, vol. 2, iss. 9, pp. 828–841. https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00111
  16. Marana N. L., Noel Y., Sambrano J. R., Ribaldone C., Casassa S. Ab initio modeling of multiwall: A general algorithm first applied to carbon nanotubes. J. Phys. Chem. A, 2021, vol. 125, iss. 18, pp. 4003–4012. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.1c01682
  17. Li M., Liu X., Zhao X., Yang F., Wang X., Li Y. Metallic catalysts for structure-controlled growth of single-walled carbon nanotubes. Top Curr Chem., 2017, vol. 375, art. 29. https://doi.org/10.1007/s41061-017-0116-9
  18. Elstner M., Seifert G. Density functional tight binding. Phil. Trans. R. Soc. A, 2014, vol. 372, iss. 2011, art. 20120483. https://doi.org/10.1098/rsta.2012.0483
  19. Hamada N., Sawada Si., Oshiyama A. New one-dimensional conductors: Graphitic microtubules. Phys. Rev. Lett., 1992, vol. 68, pp. 1579–1581. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.1579
  20. Datta S. Quantum Transport: Atom to Transistor. Cambridge, Cambridge University Press, 2012. xiv+404 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139164313
  21. Gerasimenko A. Yu., Kitsyuk E. P., Kuksin A. V., Ryazanov R. M., Savitskiy A. I., Savelyev M. S., Pavlov A. A. Influence of laser structuring and barium nitrate treatment on morphology and electrophysical characteristics of vertically aligned carbon nanotube arrays. Diam. Relat. Mater., 2019, vol. 96, pp. 104–111. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.04.035
  22. Glukhova O. E., Kolesnichenko P. A., Slepchenkov M. M. Mechanical properties of multi-walled carbon chiral nanotubes and their bundles: In silico studies within the density functional theory approach in the tight-binding approximation. Physics of the Solid State, 2025, vol. 67, iss. 5, pp. 897–903 (in Russian). https://doi.org/10.61011/FTT.2025.05.60756.105-25
  23. Ghavamian A., Rahmandoust M., Öchsner A. A numerical evaluation of the influence of defects on the elastic modulus of single and multi-walled carbon nanotubes. Comput. Mater. Sci., 2012, vol. 62, pp. 110–116. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.05.003
  24. Treacy M., Ebbesen T., Gibson J. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature, 1996, vol. 381, pp. 678–680. https://doi.org/10.1038/381678a0
  25. Pantano A. Effects of mechanical deformation on electronic transport through multiwall carbon nanotubes. Int. J. Solids Struct., 2017, vol. 122–123, pp. 33–41. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.05.041
  26. Xiang Y., Zhang L., Liu C. Electrical properties of carbon nanotubes: From individual to assemblies. Nanomaterials, 2025, vol. 15, iss. 15, art. 1165. https://doi.org/10.3390/nano15151165
  27. Ahlskog M., Herranen O., Leppaniemi J., Mtsuko D. Conduction properties of semiconductive multiwalled carbon nanotubes. Eur. Phys. J. B, 2022, vol. 95, iss. 8, art. 130. https://doi.org/10.1140/epjb/s10051-022-00392-z
  28. Mtsuko D., Koshio A., Yudasaka M., Iijima S., Ahlskog M. Measurements of the transport gap in semiconducting multiwalled carbon nanotubes with varying diameter and length. Phys. Rev. B, 2015, vol. 91, art. 195426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.195426
  29. Kim H. I., Wang M., Lee S. K., Kang J., Nam J. D., Ci L., Suhr J. Tensile properties of millimeter-long multiwalled carbon nanotubes. Sci Rep., 2017, vol. 7, art. 9512. https://doi.org/10.1038/s41598-017-10279-0
  30. Pugno N. M. Young’s modulus reduction of defective nanotubes. Appl. Phys. Lett., 2007, vol. 90, iss. 4, art. 043106. https://doi.org/10.1063/1.2425048
Поступила в редакцию: 
04.11.2025
Принята к публикации: 
19.12.2025
Опубликована: 
31.03.2026
  • 33 просмотра