Синтез фуллеренов и нанотрубок
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Фуллерены и нанотрубки являются большими классами наноструктур, представляющих значительный интерес. К примеру, среди различных фуллеренов существует много частиц и изомеров от малых (С20, С28) до гигантских (С240, С1840), которые обладают абсолютно разными характеристиками. Таким образом, были получены фуллерены с множеством оболочек (углеродные «луковицы»), которые состоят из нескольких вложенных друг в друга структур.
Также был произведён синтез фуллереновых полимеров, плёнок, кристаллов (фуллеритов), допированных кристаллов (фуллеридов), имеющих и собственные структуры, и структуры обычных кристаллов. К примеру, фуллерен С28 обладает той же валентностью, что и углеродный атом, и образует устойчивый кристалл со строением алмаза — гипералмаз.
За последние несколько лет было получено множество молекул неорганического происхождения (оксидов, дихалькогенидов металлов и других), которые по своему строению схожи с фуллеренами. Из нанотрубок производится множество материалов, которые представляют интерес, к примеру, нанобумага обладает высокой прочностью благодаря лежащим в основе плотным плёнкам из переплетённых, подобно растительным волокнам, жгутов нанотрубок. Не так давно китайским учёным удалось спрясть нанотрубки для получения углеродных нитей. Учитывая высокую прочность нанотрубок (почти в 100 раз больше стали), можно понять значимую ценность для человека их изобретение [10].
Также были найдены вполне реальные сферы применения таких нанотрубок — к примеру, в плоских дисплеях, которые превосходят плазменные и жидкокристаллические аналоги, и в нановесах, которые позволяют взвешивать объекты, имеющие массу примерно 20 фемто-грамм (1 фг =10-15 г) - в частности, вирусные частицы.
Открытие фуллеренов (рисунок 4) стало переломным шагом в развитии науки и зарождении нанотехнологии в начале XX столетия. В настоящее время наиболее изучен фуллерен, содержащий 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром приблизительно в 1 нм, и напоминающий футбольный мяч. Атомы углерода в данном фуллерене образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников. В 90-х годах XX века были разработаны методы получения и выделения фуллеренов в чистом виде. Вместе с тем фуллерены и сейчас являются весьма дорогим материалом (дороже золота), что ограничивает их практическое применение.
Рисунок 4. Изображение фуллеренов: С60, С70, С90
Фуллерены можно разделить на два вида: более стабильные и менее стабильные. Границу между ними позволяет провести правило изолированных пятиугольников. Наиболее стабильными являются те фуллерены, в которых пятиугольники не касаются друг друга, и каждый из них окружен пятью шестиугольниками. Если располагать фуллерены в порядке увеличения числа атомов углерода n, то C60 является первым представителем, удовлетворяющим этому правилу, а С70 — вторым. Среди молекул фуллеренов с n 70 всегда есть изомер, подчиняющийся указанному правилу, число таких изомеров быстро возрастает с ростом числа атомов
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Найдено 5 изомеров для С78, 24 — для С84 и 40 — для C90. Изомеры, имеющие в своей структуре смежные пятиугольники, менее стабильны.
Первоначально фуллеренам приписывались свойства ароматических соединений. Однако последующее исследование их свойств это не подтвердило, так как фуллерены довольно легко участвуют в реакциях присоединения. На основе фуллеренов уже синтезировано более 3000 новых соединений. Ведется исследование процессов хлорирования фуллеренов в различных условиях. К настоящему времени выделено и охарактеризовано несколько индивидуальных хлорпроизводных фуллеренов С60 и С70, полученных путем применения различных хлорирующих агентов.
Многие перспективные направления в нанотехнологиях связывают с углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки представляют собой гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода (рисунок 5). Нанотрубки образуются на поверхности угольных электродов при дуговом разряде, в результате испарения атомов углерода с поверхности электродов и последующей конденсацией. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода. Диаметр однослойных нанотрубок около 1 нм, а их длина может быть в миллионы раз больше. Свёрнутый в трубочку листок гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому углеродные нанотрубки такие прочные. Нить, сделанная из углеродных нанотрубок, толщиной всего в человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм. Протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.
Рисунок 5. Строение углеродных нанотрубок
Углеродные нанотрубки разнобразны по строению. Они могут быть одностенными или многостенными (однослойными или многослойными), прямыми или спиральными, длинными или короткими. На рисунке 6 приведены однослойные и многослойные нанотрубки. Различают также проводниковые и полупроводниковые нанотрубки.
Рисунок 6. Модели углеродных нанотрубок: однослойная (слева) и многослойная (справа)
Химическое строение углеродных нанотрубок отличается от строения фуллеренов и графита вследствие особенностей их структуры Фуллерены способны образовывать молекулярные кристаллы, графит представляет собой сложный полимерный кристалл, а нанотрубки занимают промежуточное состояние между структурой графита и структурой фуллеренов. Фуллерены имеют небольшой объем внутренней полости, в котором может поместиться лишь несколько атомов других элементов, а углеродные нанотрубки обладают большим внутренним объемом.
В однослойные и многослойные нанотрубки можно внедрить различные наночастицы. В многослойных нанотрубках эти частицы располагаются между отдельными слоями
50% курсовой работы недоступно для прочтения
Закажи написание курсовой работы по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее время!
