Углерод статистическ ий теория
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
Кемеровский государственный университет (КемГУ)
Институт Фундаментальных Наук
Кафедра химии твердого тела и химического материаловедения
Реферат
По дисциплине «Нанотехнологии в химии»
На тему «Фуллерены и углеродные нанотрубки»
Выполнил: Студент группы X-182
_________________Х.А. Алибоев
Проверил: доцент
______________К.А. Карчуганова
Содержание
Введение........................................................................................................... 3
1. Фуллерены ….............................................................................................. 4
1.1 История открытия..................................................................................... 4
1.2 Свойства фуллеренов................................................................................ 5
1.3 Получение фуллеренов ............................................................................ 6
1.4 Практическое применение фуллеренов.................................................... 7
2. Углеродные нанотрубки............................................................................. 9
2.1 История открытия................................................................................... 10
2.2 Структура нанотрубок............................................................................ 11
2.2.1 Одностенные нанотрубки..................................................................... 11
2.2.2 Многостенные нанотрубки.................................................................. 11
2.3 Методы полчения …………………………... ………………………………12
2.4 Преспективные сферы применения нанотрубок.................................... 13
|
|
|
Выводы.......................................................................................................... 14
Список использованных источников............................................................ 15
Введение
В ХХ веке произошло много открытий, в корне изменивших жизнь человечества. Одним из таких открытий стало обнаружение новых аллотропных форм углерода, таких, как фуллерены, а впоследствии и углеродные нанотрубки. Невероятные свойства этих структур открыли широчайшие перспективы их использования в областях электроники, медицины и многих других.
На данный момент количество статей и исследований данных стуктур исчисляется сотнями. Что, безусловно, только подчеркивает их актуальность для научного сообщества.
За открытие и изучение фуллеренов и графена были присуждены Нобелевские премии в 1997 и 2010 годах соответственно. Как можно увидеть из двух данных дат, однажды начавшиеся исследования не только не остановились, но и крайне активно продолжились и логично будет предположить, что будут вестись и в будущем.
Данная работа включает в себя основные положения об исследованиях этих структур, их свойствах, производстве и применении, и имеет своей целью дать общее понятие о фуллеренах и нанотрубках, а также предоставить научно-фактологическую основу для последующих выводов о важности продолжения данных исследований и использования аллотропных форм углерода в различных сферах человеческой деятельности.
|
|
|
Фуллерены
История открытия
В 1967 году в Институте элементоорганических соединений АН СССР была синтезирована третья форма углерода – карбин, состоящая из линейных, палочкоообразных молекул углерода.[1].
В том же году был открыт лонсдейлит - гексагональная полиморфная модификация алмаза. В 2009 году группа китайских ученых выступила с заявлением о том, что, в случае отсутствия примесей, лонсдейлит будет на 58% тверже алмаза. Однако эти выкладки не подтвердились и лонсдейлит до сих пор не нашел широкого применения в науке и технике.[2].
В 1973 году и в России, а несколько ранее Е. Осава в Японии на основании квантохимических расчетов предсказали существование шаровидных молекул углерода – карбододекаэдра С20, и карбо-s-икосаэдра – С60 (возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР).
В 1985 г. при исследовании паров графита, полученных испарением лазерным лучом при длительности лазерного импульса 5 нс и температуре 10000º С с поверхности вращающегося графитового диска было обнаружено наличие многоатомных молекулуглерода. Открытие было произведено группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 году, за что в 1996 году эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. При последующих исследованиях этих образований выяснилось, что наиболее стабильными из обнаруженных соединений оказались молекулы с большим четным числом атомов, в первую очередь состоящие из 60 и 70 атомов - C60 и C70. Соединение C60 имеет сферическую форму схожую с футбольным мячом, а C70 - ближе к форме дыни. Эти молекулы из шестидесяти, и семидесяти и более атомов углерода - С60, и С70, были названы, в виду их формы, фуллеренами в честь американского инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера который впервые построил геодезический купол, состоящий из шести - и пятиугольников. Фуллерен – это материальная частица с размером около трети нанометра (трети миллионной доли миллиметра). Фуллерены представляют собой замкнутые молекулы углерода, в которых все атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида.
|
|
|
Было открыто много видов фуллеренов. В настоящее время фуллерены принято обозначать следующим образом – фуллерен С60, С70, С80, С240, С540, и т. д. (индекс-число атомов углерода).
|
|
|
Свойства фуллеренов
углерод статистическ ий теория
Фуллерены отличаются необычной кристаллографической симметрией и уникальными свойствами. Все ковалентные связи у них насыщены, поэтому отдельные молекулы между собой могут взаимодействовать только посредством слабых сил Ван-дер-Ваальса. Однако последних хватает, что бы построить из сферических молекул кристаллические структуры. Такие материалы называются фуллеритами.[3].
В большинстве случаев у них углеродные атомы имеют три пространственные связи (подобно фрагментам решетки алмаза). Длина и углы между связями также характерны для структуры алмаза.
В настоящее время научились получать легированные фуллерены, путем добавления к их молекулам других атомов или молекул, в том числе и помещением атома легирующего элемента во внутренний объем молекулы. С использованием высокого давления или лазерного облучения существует возможность соединения двух фуллереновых молекул в димер или полимеризации исходной структуры мономеров.[4].
Получение фуллеренов
В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали.
Классическим способом получения фуллеренов является испарение в вакууме углерода с получением перегретого (до 104 К) углеродного пара [3]. Затем перегретый пар интенсивно охлаждают в струе инертного газа. В результате происходит осаждение порошка, в котором присутствует значительное количество кластеров (молекулы) двух групп – малого размера с нечетным числом атомов углерода (до С25) и большого размера с четным числом атомов (C60 и C70). Далее с использованием методов порошковой металлургии происходит их разделение.
Метод Кретчмера-Хоффмана в настоящее время нашел наибольшее распространение. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита.
Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц, величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10-20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне.
Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т. е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость.
При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи. В нем содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%). Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».
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.
Дальнейшие исследования показали, что фуллерены можно выделить из конденсированных продуктов испарения графита путем экстрагирования ароматическими растворителями, например, бензолом, толуолом или ксилолом. Кроме того, их можно выделить сублимацией в вакууме при температурах 450-600° С.
После разработки простых способов получения фуллеренов в достаточных для исследования количествах начался “фуллереновый бум”. Поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос. Во многих странах имеются научно-технические программы по фуллеренам. Наука о фуллеренах – фуллереноведение необычайно быстро прогрессирует.
В настоящее время на Западе налажено производство фуллеренов и углеродных наноматериалов на их основе, созданы специализированные фирмы. Средства, вложенные в исследования фуллеренов и организацию их производства, окупаются достаточно быстро.[5].
Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 140; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!