Фуллерены и Нанотрубки

Фуллерены и Нанотрубки

Открытие Фуллерена.

 

• Теоретически возможность существование фуллерена было предсказана японцем Осавой и подтверждена расчетами российских химиков за много лет до его открытия. Однако Нобелевской премии по химии в 1996 году были удостоены ученые из США и Великобритании – Роберт Керл, сер Харольд Крото и Ричерд Смоли,- которым в первые удалось обнаружить такую форму углерода во время лазерного испарения графита в атмосфере гелия.  Открытие этой молекулы величиной в один нанометр, то есть в одну миллиардную долю метра, было признано одним из самых важных событий в науке 20 столетия. В приветственной речи  Нобелевского комитета это открытие по значимости сравнивалось с открытием Америки Колумбом.

• Фуллерен – уникальная молекула в ней гармонично объединились вакуум и материя . Если заглянуть внутрь этого необычного шарика, то можно обнаружить пустоту, пронизанную электромагнитными полями. Фуллерен является своего рода связующим звеном между органической и неорганической материей. В частности, его геометрическая форма имеет удивительное сходство с важнейшими биологическими структурами живых организмов — фрагментами молекулы ДНК, третичной структурой белков, вирусами и так далее. Если к этому добавить способность фуллерена, в отличие от графита и алмаза, растворяться в органических растворителях и образовывать множество новых соединений с разными элементами.

 

Строение Фуллерена

 

• В природе существует разные виды аллотропных форм углерода к ним относиться известные нам уголь, сажа,  алмаз, граффити и  карбин. в 1985 году было открыто новая аллотропная формула углерода. Сенсация открытия заключалась также в том, что строение новых углеродных соединений оказалось крайне необычным. Хорошо известно, что атом углерода в своих соединениях образует длинные углеродные цепи или плоские циклические структуры, а вот, новые молекулы углерода имели сферическое  строение
• Фуллерены построены из пятиугольников и шестиугольников, в вершинах которых лежат атомы углерода. Наименьшим стабильным фуллереном является бакминстерфуллерен C60. Его следующим устойчивым гомологом является C70, за которым следуют C76, C78, C82, C84, C90, C94, C96 и т.д. Икосаэдр является правильным многогранником: у него все грани одинаковы (20 треугольных граней и 12 вершин). Если мысленно провести плоскости через его вершины, их как бы срезать, усечь, то на их месте появляются пятиугольные грани (их 12 по числу вершин). В ходе этого усечения треугольники превращаются в шестиугольники и теперь можно представить строение усечённого икосаэдра и молекулы углерода С60.

 

Строение молекул С60 в виде многогранника усеченного - икосаэдера.

• Молекула C60 обладает наиболее высокой среди фуллеренов симметрией и наибольшей стабильностью. Любопытно, что среди всех фуллеренов только C20 не имеет в своем составе гексагонов.
• 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 CO2. 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 С60 приходится 12 атомов кислорода. При этом фуллерены полностью теряют свою форму.

Получение фуллерена

 

 

 

 

 

 

• Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучением твердых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путем сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-5% материала анода, что, в конечном счете, определяет высокую стоимость фуллеренов.

Применение фуллеренов

 

• 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..        Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии.                   

 

Нанотрубки

 

• Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрическое структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины ), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерен.

Структура и Классификация

 

• основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плосости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проиллюстрировано на рисунке.
• Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий (вектор вертикальный) и свернуть вдоль направления вектора R.

По значению параметров (n, m) различают

• прямые (ахиральные) нанотрубки
• «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m
• зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0
• спиральные (хиральные) нанотрубки
• Как нетрудно догадаться, при зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.
• Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если n-m делится на 3. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

История открытия

 

• Как известно, фуллерен (C60) был открыт группой Смоли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г., существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др.  опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок 

Структурные свойства

 

• упругие свойства; дефекты при превышении критической нагрузки:       — в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки — с образованием пентагона или септагона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, то есть с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга (дефект Стоуна — Уэйлса) — это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.
• открытые и закрытые нанотрубки

 

Применения нанотрубок

 

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
• Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор , из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

 

• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные
• Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой
• Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.