фуллерен какая кристаллическая решетка

Фуллерен, шаг вперёд

Фуллерен – одна из форм чистого углерода, в котором атомы соединены между собой в кристаллическую решетку, напоминающую по форме футбольный мяч. В зависимости от числа атомов фуллерены могут низшими (от 24х до 70 атомов) и высшими (70 и более атомов). Практический интерес представляют молекулы фуллерена с 60 и 70 атомами как наиболее распространенные (С60 и С70 соответственно).

Фуллерены, изомерный ряд:

Благодаря своим уникальным свойствам: бактерицидным, антиоксидирующим, сорбирующим, фуллерены в будущем имеют серьезную перспективу применения в медицине:

• Добавка в органические масла, косметология, лечебная косметика: средства от псориаза, дерматитов и грибка, средства от выпадения волос, средства для избавления от шрамов, растяжек, пигментаций.
• Фармакологические препараты: противоожоговые и ранозаживляющие препараты (ускорение процесса заживлния в 2-2.5 раза, обезболивание), нетоксичные антибактериальные и дезинфицирующие средства, лекарства от гастрита, язвы, рака ЖКТ, туберкулеза и бактериальных язв, АКНЕ. Офтальмологические и гинекологические препараты (не разъедает слизистую). Иммуностимулирующие и противоаллергические препараты (одновременно). Потенциально лекарства от рака.
• БАДы: фуллерен – мощный антиоксидант (антиоксидирующая способность выше чем у аскорбиновой кислоты в 135 раз), нейтрализует свободные радикалы.

Раневое покрытие с применением гидратированных фуллеренов (фуллеренолов С(60/70)ОН(Х)):

Влияние фуллеренов на опухолевый рост:

1й день применения:

14й день применения:

АКНЭ до и после 10ти дневного курса лечения:

Являясь устойчивой формой наночастиц углерода, фуллерены обеспечивают однородные свойства технических монокристаллов и пленок.

Электроника и оптика:

• Нелинейная оптика: пленки для оптических линз.
• Сверхпроводящие соединения: карбид кремния высокой плотности, полученный из фуллеренов.
• Солнечные элементы: пленки на карбиде кремния высокой плотности повышают эффективность солнечной энергетики до +30%.
Промышленные и конструкционные материалы:
• Добавка в промышленные масла, резины и пластики: эффективность машинного масла увеличивается в 2-3 раза, срок службы изделий из резины и плстика увеличивается в 4 раза, также повышается холодоустойчивость этой продукции.
• Защитные покрытия: улучшенный антипригарные покрытия и покрытия с низким трением.
• Дисперсно упрочненные композиционные материалы.
• Фуллереновые добавки для роста алмазных пленок.

Единственный способ получать существенные объемы фуллерена – это т.н. метод Кречмера, где два углеродных стержня сгорают в плазменной дуге. Он позволяет получать 0.2-0.5% фуллерена от массы стержней. Это медленный процесс и для наработки значимого количества продукта необходимо несколько суток и огромное количество электроэнергии (современные установки потребляют около 50КВт). Но это еще не все, далее необходимо «отмыть» фуллерен от ненужной углеродной сажи. На это, в зависимости от применяемой технологии, уходит от 2х до 4х недель. При этом расходуется большое количество растворителя, т.к. к воде фуллерен не растворяется.

Принципиальная схема установки Кречмера:

Таким образом, из-за непомерной сложности и дороговизны производства, фуллерены всегда вызывали чисто научный интерес, но не более.

Российские ученые в Лаборатории Наноуглеродных Материалов при СПБГПУ добились значительных результатов как в области получения фуллерена, так и области его отмывки и получения его важных модификаций. Разработанные ими методы позволяют интенсифицировать процесс горения углеродных стержней, что позволило увеличить КПД перехода сажи в фуллерен до единиц процента(в 15-20 раз).

Так же в лаборатории производится анализ качества продукта. Для этого используется современнейшие методы контроля: хроматографический, ИК-спекрометрический, массспектрометрический.

Масс спектрограмма фуллерена:

В данный момент лаборатория активно сотрудничает с несколькими медицинскими и техническими НИИ. Результатом такого сотрудничества уже стали завершенные исследования и патенты (раз, два).

Источник

Фуллерен, его производство, свойства и применение

Фуллерен, его производство, свойства и применение.

Фуллерен – молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства.

Описание и структура фуллерена:

Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства. В соединении с другими веществами они позволяют получить материалы с принципиально новыми свойствами.

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (как идеальная форма, крайне редко встречающаяся в природе).

Следующим по распространённости является фуллерен C₇₀, отличающийся от фуллерена C₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C₆₀, в результате чего молекула фуллерена C₆₀ является вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400 и более), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C_n, где n = 74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Связь между вершинами, ребрами и гранями фуллерена может быть выражена математической формулой согласно теореме Эйлера для многогранников:

где В – число вершин выпуклого многогранника, Р – число его рёбер и Г – число граней.

Необходимым условием существования выпуклого многогранника согласно теореме Эйлера (и соответственно существования фуллерена с определенной структурой и формой) является наличие ровно 12 пятиугольных граней и В /2 – 10 граней.

Возможность существования фуллерена была предсказана японскими учеными в 1971 году, теоретически обоснование было сделано советскими учеными в 1973 году. Впервые фуллерен был синтезирован в 1985 г. в США.

Практически весь фуллерен получают искусственным путем. В природе он содержится в очень малых количествах. Он образуются при горении природного газа и разряде молнии, а также содержится в очень малых количествах в шунгитах, фульгуритах, метеоритах и донных отложениях, возраст которых достигает 65 миллионов лет.

Соединения фуллерена:

Фуллерен легко вступает в соединения с другими химическими элементами. В настоящее время на основе фуллеренов уже синтезировано более 3 тысяч новых и производных соединений.

Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными.

Источник

Фуллерен какая кристаллическая решетка

Из предложенного перечня выберите два вещества с одинаковым типом кристаллической решетки.

1)

2)

3)

4)

5)

Запишите в поле ответа номера выбранных соединений.

Натрий — простое вещество с металлической кристаллической решеткой.

Оксид кремния(IV) — соединение с атомной кристаллической решеткой.

Нитрат аммония — соль, ионная кристаллическая решетка.

Фуллерен — одна из аллотропных модификаций углерода, имеющая молекулярное строение.

Ацетилен — вещество молекулярного строения (молекулярная кристаллическая решетка в твёрдом состоянии).

Вещества с одинаковым типом кристаллической решетки: и .

Источник

eponim2008

Жизнь замечательных имен

Короткие истории о вещах и о людях, давших им свое имя

Что такое фуллерены?

Один из самых удивительных элементов на свете – углерод. Удивителен и уникален он хотя бы оттого, что все, имеющее отношение к жизни, построено из соединений углерода. Химия четко делится на две неравные части. Органическая химия – она вся о соединениях углерода, а неорганическая – о соединениях всех прочих элементов в таблице Менделеева. И органических соединений гораздо больше, чем неорганических!

Необычность углерода имеет свое объяснение. Химическая природа этого элемента позволяет его атомам объединяться друг с другом, образуя длинные полимерные цепочки. Причем, цепочки эти могут иметь самую разнообразную форму. Молекулы бензола, например, образуют замкнутые кольца, а молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), ответственной за передачу наследственной информации, представляют две связанных между собой спирали.

Другое важное следствие особых химических свойств углерода состоит в том, что этот элемент существует в природе в самых разных модификациях, совершенно не похожих друг на друга. Такие модификации называются аллотропическими формами. В переводе с древнегреческого «аллотропия» означает «другая форма». Так вот, среди всех элементов в настоящее время больше всего аллотропических форм (а именно, 9) известно у углерода. Две из них знакомы всем. Это графит и алмаз. Оба вещества по химическому составу идентичны и представляют собой чистый углерод. Но из-за того, что атомы углерода в этих веществах расположены по-разному, их физические свойства тоже совершенно различны. Крошащийся при легком усилии черный, как ночь, графит и сверкающий солнцем алмаз, самый твердый минерал в мире! Почувствуйте разницу!

Фуллерен – это одна из аллотропических форм углерода, открытая относительно недавно. Впервые его обнаружил в середине 1970-х годов английский химик Гарольд Кро́то (Harold Walter Kroto; 1939 — 2016) при изучении спектров звезд. Расшифровка данных спектрального анализа показала в атмосфере крупных стареющих красных звезд, которые называют углеродными, а также в межзвездной среде наличие больших молекул углерода, включающих 60, а иногда и 70 атомов.

В середине 1980-х годов пришла пора спуститься с небес на землю. В этом время в университете Райса, который находится в Техасе Ричард Смолли (Richard Smalley; 1943 — 2005) создал установку для исследования поведения металлов, испаряемых с металлической поверхности с помощью лазерного луча, а затем очень быстро охлаждаемых. При этом, как оказалось, металлы не кристаллизовались, а образовывали длинные цепочки особой структуры, кластеры. Работавший вместе со Смолли, Роберт Кёрл (Robert Floyd Curl Jr., род. 1933), встретившись с Крото на одном из семинаров, рассказал ему об установке Смолли и пригласил промоделировать на ней то, что происходит в атмосфере далеких звезд.

Кстати, именно футбольный мяч иллюстрировал первую статью об открытии новой аллотропической формы углерода. Там же впервые появилось ее название. Первооткрыватели назвали открытую ими молекулу углерода «Бакминстерфуллереном» (Buckminsterfullerene).

Откуда взялось такое длинное слово? От фамилии американского инженера, архитектора, дизайнера и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster Fuller; 1895 — 1983). Как архитектор, он стал знаменит сооружениями куполообразной формы, которые называются геодезическими куполами.

Главное свойство геодезических куполов состоит в том, что их можно собирать из относительно коротких, скрепленных между собой, прямых стержней. Таким образом возведение таких куполов относительно недорого.

Такие купола являются устойчивыми структурами. Они сами поддерживают себя. Очень легкий по весу геодезический купол может перекрывать огромные пространства. Кроме того, геодезический купол благодаря своей почти шарообразной форме хорошо выдерживает напор даже ураганных ветров. Невысокие сферические конструкции можно построить едва ли не вручную, без помощи строительного крана. Но все же строительство больших куполов гораздо выгоднее, потому что они будут состоять из бо́льшего числа деталей. В результате, нагрузка на каждый стержень будет меньше.

Простой математический расчет показывает, что по мере увеличения диаметра сферы объём пространства, заключаемого этой сферой,будет расти быстрее, чем масса оболочки этой архитектурной структуры. Таким образом, появляется реальная техническая возможность перекрыть сферическим куполом гигантское пространство. Речь идет уже не о строительстве зданий, а о целых городах под куполом.

Считаем дальше. Допустим, мы построили купол-сферу диаметром полтора километра. Масса воздуха, заключенного в такую сферу будет во много раз больше массы всей сферы. Прекрасно! – рассуждал Фуллер – если весь воздух в такой сфере нагреть всего на один градус по сравнению с температурой окружающего пространства, возникнет значительная подъемная сила. Сфера взлетит! И не только взлетит сама, но сможет поднять вверх большой груз.Что из этого следует? Можно строить летающие города, в каждом из которых будут проживать несколько тысяч человек! Такие города, могли бы находиться на якоре исвободно парить, или, подобно дирижаблям, лететь, подгоняемые ветром!

Ну, а если все же спуститься из поднебесья на твердую землю, сферические сооружения Фуллера были и очень функциональны, и попросту красивы. В 1959 году в Москве состоялась Американская национальная выставка, которую разместили в так называемом «золотом куполе», огромной сетчатой конструкции, собранной из легких стальных труб, которые удерживали на себе такой же легкий потолок из золотистого алюминия. В 1967 году Р. Фуллер спроектировал павильон США на Всемирной выставке в Монреале. После закрытия выставки огромную сферу Фуллера не разобрали. Это строение осталось в Монреале. Сейчас в нем размещается музей «Биосфера».

Что же касается фуллеренов, то Нобелевский комитет признал открытие этой аллотропической формы углерода выдающимся. Гарольд Кро́то, Ричард Смолли и Роберт Кёрл в 1996 году получили за открытие фуллеренов Нобелевскую премию по химии.

Следует сказать, что теоретики предсказали существование молекул углерода, имеющих замкнутую и устойчивую, почти «шарообразную» структуру, задолго до того, как экспериментаторы эти молекулы синтезировали. В конце 1960-х годов японский химик Эйдзи Осава (Eiji Osawa, род. 1935) опубликовал статью, в которой изобразил структуру молекулы C60 в виде усеченного икосаэдра. Еще раньше советские ученые Д. А. Бочвар, Е. Г. Гальперн и И. В. Станкевич посредством компьютерных расчетов показали, что такая молекула будет стабильной. Выбрать в качестве основы для расчетов усеченный икосаэдр предложил завзятый футболист Станкевич. Рассуждал он просто: 22 здоровых парня в течение двух часов непрерывно пинают футбольный мяч, а ему хоть бы что. Следовательно, такая форма будет чрезвычайно прочной.

Это, в самом деле, оказалось так. Но директор академического института, в котором тогда работали ученые, не разрешил опубликовать результаты в научном журнале, и работа в этом направлении застопорилась до публикации работы Э. Осавы.

Изучение фуллеренов уже давно перешло из области чистой науки в область технологических и нанотехнологических разработок. Применение фуллеренам найдено и в материаловедении, где был создан сверхтвердый материал фуллерит, который тверже даже алмаза. У фуллеренов обнаружены сверхпроводящие свойства.

Очень перспективно применение фуллеренов в медицине. Фуллерены – самые мощные антиоксиданты, а, следовательно, на их основе можно сделать лекарства, очищающие организм и продлевающие срок жизни. Фуллерены также могут быть одним из возможных лекарств против ВИЧ.

Источник

1.1. Известные аллотропные формы углерода

Происхождение термина «фуллерен» связано с именем американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие в виде шестиугольников и пятиугольников.

В середине 60-х годов Дэвид Джонс конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразным образом свернутых графитовых слоев. Было показано, что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, и приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

В начале 70-х годов физхимик–органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулыС₆₀, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

В 1985 году, коллективу ученых: Г.Крото (Англия, Сассекский университет), Хит, 0’Брайен, Р.Ф.Керл и Р. Смолли (США, Университет Раиса) удалось обнаружить молекулу фуллерена при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца.

Первый способ получения и выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В.Кречмером и Д.Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия).

В 1991 году японский ученый Иджима на полярном ионном микроскопе впервые наблюдал различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода: нанотрубки, конусы, наночастицы.

В 1992 в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) были обнаружены природные фуллерены.

В 1997 году Р.Е.Смолли, Р.Ф.Керл,Г.Крото получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул С₆₀, имеющих фору усеченного икосаэдра.

Рассмотрим структуру аллотропных форм углерода: алмаза, графита и карбина.

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

1.2.Геометрия молекулы фуллерена и кристаллическая решетка фуллерита

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) –это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Молекула С ₆₀ сохраняет стабильность в инертной атмосфере аргона вплоть до температур порядка 1700 К. В присутствии кислорода при 500 К наблюдается значительное окисление с образованием СО и CO ₂. При комнатной температуре окисление происходит при облучении фотонами с энергией 0,55 эВ. что значительно ниже энергии фотонов видимого света (1,54 эВ). Поэтому чистый фуллерит необходимо хранить в темноте. Процесс, продолжающийся несколько часов, приводит к разрушению ГЦК- решетки фуллерита и образованию неупорядоченной структуры, в которой на исходную молекулу Сбо приходится 12 атомов кислорода. При этом фуллерены полностью теряют свою форму.

1.3. Получение фуллеренов

В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно по сравнению с другими атомами «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 100 Тор. При более высоких давлениях агрегация фрагментов углерода затруднена.

Рис.4. Схема установки для получения фуллеренов.

1 – графитовые электроды;

2 – охлаждаемая медная шина; 3 – медный кожух,

Изменение параметров процесса и конструкции установки ведет к изменению эффективности процесса и состава продукта. Качество продукта подтверждается как масс-спектрометрическими измерениями, так и другими методами (ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, ИК-спектроскопия и др.)

Обзор существующих в настоящее время способов получения фуллеренов и устройств установок, в которых получают для получения различные фуллеренов приведен в работе Г.Н.Чурилова.

Методы очистки и детектирования

Наиболее удобный и широко распространенный метод экстракциифуллеренов из продуктов термического разложения графита (термины: фуллерен-содержащей конденсат, фуллерено-содержащая сажа ), а также последующей сепарации и очистки фуллеренов, основан на использовании растворителей и сорбентов.

1.4.Свойства фуллеренов

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается. Фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси с другими веществами. Было обнаружено, что добавление атомов калия в пленки С ₆₀ приводит к появлению сверхпроводимости при 19 К.

Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так, недавно получены пленки полифуллерена, в которых молекулы С₆₀ связаны между собой не ван-дер-ваальсовским, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием. Эти плёнки, обладающие пластическими свойствами, являются новьм типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в направлении синтеза полимеров на основе фуллеренов. При этом фуллерен С₆₀ служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется с помощью бензольных колец. Такая структура получила образное название «нить жемчуга».

Присоединение к С₆₀ радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы. С₆₀. Имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия, атомов редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний и диспрозий.

Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.

1.5. Применение фуллеренов

В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста,алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако, обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при определенных условиях. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов- ограничителей интенсивности лазерного излучения..

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.

Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водо-растворимых эндоэдральных соединенийфуллеренов с радиоактивными изотопами. ( Эндоэдральные соединения – это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента). Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем – создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию.

Применение фуллеренов сдерживается их высокой стоимостью, которая складывается из трудоемкости получения фуллереновой смеси и из выделения из нее отдельных компонентов.

1.6.Углеродные нанотрубки

Структура нанотрубок

Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода..).

Параметр, указывающим координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат, называется хиральностью нанотрубки и обозначается набором символов (т, п). Хиральностьнанотрубки определяет ее электрические характеристики.

Как показали наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоят из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось.

Однослойные нанотрубки

На рис. 4 представлена идеализированная модель однослойной нанотрубки. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду

с правильными шестиугольниками, также по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их диаметр.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Многослойные нанотрубки

Следует иметь в виду, что идеализированная поперечная структура нанотрубок, в которой расстояние между соседними слоями близко к значению 0,34 нм и не зависит от аксиальной координаты, на практике искажается вследствие возмущающего воздействия соседних нанотрубок.

Наличие дефектов приводит также к искажению прямолинейной формы нанотрубки и придаёт ей форму гармошки.

Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности многослойных нанотрубок, связан с внедрением в поверхность, состоящую преимущественно из правильных шестиугольников, некоторого количества пятиугольников или семиугольников. Это приводит к нарушению цилиндрической формы, причём внедрение пятиугольника вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение семиугольника способствует появлению вогнутого изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок.

Структура наночастиц

В процессе образования фуллеренов из графита образуются также наночастицы. Это замкнутые структуры, подобные фуллеренам, но значительно превышающие их по размеру. В отличие от фуллеренов, они также как и нанотрубки могут содержать несколько слоев., имеют структуру замкнутых, вложенных друг в друга графитовых оболочек.

В наночастицах, аналогично графиту, атомы внутри оболочки связаны химическими связями, а между атомами соседних оболочек действует слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. Обычно оболочки наночастиц имеют форму близкую к многограннику. В структуре каждой такой оболочки, кроме шестиугольников, как в структуре графита, есть 12 пятиугольников, наблюдаются дополнительные пары из пяти и семиугольников. Электронно-микроскопическое изучение формы и строения углеродных частиц в фуллерено-содержащем конденсате было недавно проведено в работах Jarkovа S.M., Кашкина В.Б.

Получение углеродных нанотрубок

Углеродных нанотрубок образуются при термическом распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. Этот метод, как и метод лазерного распыления, лежащий в основе эффективной технологии получения фуллеренов, позволяет получать нанотрубки в количестве, достаточном для детального исследования их физико-химических свойств.

Нанотрубка может быть получена из протяжённых фрагментов графита, которые далее скручиваются в трубку. Для образования протяжённых фрагментов необходимы специальные условия нагрева графита. Оптимальные условия получения нанотрубок реализуются в дуговом разряде при использовании электролизного графита в качестве электродов.

Однослойные нанотрубки образуются при добавлении в анод небольшой примеси Fe, Co, Ni, Cd (т. е. добавлением катализаторов). Кроме того, однослойные нанотрубки получаются при окислении многослойных нанотрубок. С целью окисления многослойные нанотрубоки обрабатываются кислородом при умеренном нагреве, либо кипящей азотной кислотой, причём в последнем случае происходит удаление пятичленных графитовых колец, приводящее к открытию концов трубок Окисление позволяет снять верхние слои с многослойной трубки и открыть её концы. Так как реакционная способность наночастиц выше, чем у нанотрубок, то при значительном разрушении углеродного продукта в результате окисления доля нанотрубок в оставшейся её части увеличивается.

Свойства нанотрубок

Широкие перспективы использования нанотрубок в материаловедении открываются при капсулипровании внутрь углеродных нанотрубок сверхпроводящих кристаллов (например, ТаС). В литературе описана следующая технология. Использовался дуговой разряд постоянного тока

Применение нанотрубок

В основе многих технологических применений нанотрубок лежит такое их свойство, как высокая удельная поверхность (в случае однослойной нанотрубки около 600 кв. м. на 1/г), что открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах и т.д.

Материал нанотрубок с успехом может использоваться в качестве несущей подложки для осуществления гетерогенного катализа, причем каталитическая активностьоткрытых нанотрубок заметно превышает соответствующий параметр длязамкнутыхнанотрубок.

Возможно использование нанотрубок с высокой удельной поверхность в качестве электродов для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью.

Углеродные нанотрубки хорошо себя зарекомендовали в экспериментах по использованию их в качестве покрытия, способствующего образованию алмазной пленки. Как показывают фотографии, выполненные с помощью электронного микроскопа, алмазная пленка, напыленная на пленку нанотрубок, отличается в лучшую сторону в отношении плотности и однородности зародышей от пленки, напыленной на С₆₀ и С₇₀.

Такие свойства нанотрубки, как ее малые размеры, меняющаяся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубку в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Расчетным путем доказано, что введение в идеальную структуру нанотрубки в качестве дефекта пары пятиугольник–семиугольник изменяет ее электронные свойства. Нанотрубка с внедренным в нее дефектом может рассматриваться как гетеропереход металл-полупроводник, который, в принципе, может составить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров.

Нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем.

Интересные применения могут получить нанострубки при заполнении их различными материалами. При этом нанотрубка может использоваться как в качестве носителя заполняющего ее материала, так и в качестве изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электрического контакта, либо от химического взаимодействия с окружающими объектами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя фуллерены имеют короткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себе все новых исследователей. Эта область науки включает три направления: физика фуллеренов, химия фуллеренов и технология фуллеренов.

Физика фуллеренов занимается исследованием структурных, механических, электрических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений в различных фазовых состояниях. Сюда относится также изучение характера взаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, спектроскопия молекул фуллеренов, свойства и структура систем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболее продвинутой ветвью в области фуллеренов.

Химия фуллеренов связана с созданием и изучением новых химических соединений, основу которых составляют замкнутые молекулы углерода, а также изучает химические процессы, в которых они участвуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования это направление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.

Технология фуллеренов включает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные их приложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.

2. Новые направления в исследованиях фуллеренов//УФН, т. 164 (9), с. 1007, 1994.

3. Елецкий А. В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода//УФН, т. 165 (9), с.977, 1995.

4. Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода//СОЖ №2, с.51, 1996.

5. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов//СОЖ №1, с.92, 1997.

6. Лозовик Ю.В., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов//УФН, т. 167 (7), с. 151, 1997/

9. Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов//Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 5-7 октября 1999 г,. с. 77-87.

10. Белов Н.Н. и др. Строение поверхности катодного нароста, образующегося при синтезе фуллеренов // Аэрозоли т.4f, N1, 1998 г. с.25-29

12. Кашкин В.Б., Рублева Т.В., Кашкина Л.В., Мосин Р.А. Цифровая обработка электронно-микроскопических изображений углеродных частиц в фуллерено-содержащей саже // Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 5-7 октября 1999 г,. с. 91-92

Источник