Главная / Физика / НАНОУГЛЕРОД – ЧУДЕСА ИЛИ ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ

НАНОУГЛЕРОД – ЧУДЕСА ИЛИ ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ

АЛТАЙСКИЙ КРАЙ ЗАРИНСКИЙ РАЙОН

АЛТАЙСКИЙ КРАЙ ЗАРИНСКИЙ РАЙОН

НАНОУГЛЕРОД – ЧУДЕСА ИЛИ ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ

.

НАПРАВЛЕНИЕ - ФИЗИКА

КОНКУРС «БУДУЩЕЕ АЛТАЯ»





hello_html_410794d.png

Выполнил ученик 11 класса

Фадеев Николай

Руководитель Фадееева Г.Э.

С.Комарское, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Введение

  2. . Практическое применение форм наноуглерода.

  3. Разработки по наноуглеродам в России и за рубежом.

  4. Оборудование, необходимое для проведения серьезных исследований.

  5. Дизайн углеродных аллотропов

  6. Его величество Фуллерен

  7. Углеродные трубки — самые тонкие трубки в мире

  8. Углеродные нанокольца — окаменевшие пузырьки?

  9. Как их называют и как собирают?

  10. Маленькое приложение для будущего дизайнера

























hello_html_328555a8.png



ВВЕДЕНИЕ



Изучение и разработка наноуглеродов – одно из центральных направлений развития нанотехнологий.

История наноуглерода начинается в 1985 году, когда обнаружили одну из его форм – фуллерен. Английский ученый Г. Крото вел исследования с целью обнаружить жизнь в межзвездном пространстве. Будущий нобелевский лауреат пытался создать такой углеродный объект, который объяснил бы полосы поглощения в межзвездной среде. Со своими коллегами из США – Керлом и Смолли ему удалось экспериментально обнаружить устойчивые соединения из 60 и 70 атомов углерода. Самое удивительное, что только на основе этого факта стабильности, им удалось точно предсказать их структуру. Так и появился фуллерен, названный именем архитектора Бакминстера Фуллера, задолго до этого использовавшего подобную структуру из пяти и шестиугольников при построении куполов.

До этого открытия мы все со школьной скамьи думали, что существует только два аллотропных вида углерода - графит и алмаз. Оказалось же, что атомы углерода могут образовывать замкнутую полую сферу, которая по форме напоминает футбольный мячик. Через пять лет был придуман метод получения фуллеренов в макроскопических количествах. А в последующие 5-6 лет были получены в эксперименте еще несколько родственных форм углерода: углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, которые еще называют русской матрешкой, углеродные стручки.

Нанотрубки ученые теперь без труда могут «вырастить» на специальных подложках. Более сложная конструкция - углеродный стручок. Это - нанотрубка, внутри которой находятся фуллерены. Такая конструкция, сделанная человеческими руками - просто фантастика, если учесть, что диаметр углеродной нанотрубки всего несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. А недавно японские ученые создали новую разновидность стручка - нанотрубку, заполненную фуллеренами, внутри которых помещены 2-3 атома редких металлов.

http://www.nanojournal.ru/Attachment.aspx?Id=230http://www.nanojournal.ru/Attachment.aspx?Id=231

Фуллерен С60 и конструкция углеродной нанотрубки (фото - wikipedia).

Все эти формы теперь получили общее название – наноуглерод. Надо сказать, что наши ученые внесли заметный вклад в открытие его новых форм. Во-первых, сама возможность существования фуллеренов была предсказана теоретически, можно сказать, открыта на кончике пера, Д. Бочваром и Е.Гальперн - учеными московского Института элементоорганических соединений Академии наук еще в 1973г. Во-вторых, метод получения детонационных наноалмазов и технологию получения нанопористого углерода разработали советские ученые.

Было обнаружено, что наноалмазы образуются при взрыве из углеродов взрывчатых веществ. Размер наноалмазного кристалла, получаемого таким образом, составляет 4 нанометра. Нанопористый углерод может быть получен путем химической обработки ряда соединений углерода, при этом размер пор может составлять 1-2 нанометра.

2. Практическое применение форм наноуглерода.

Между фундаментальным открытием и появлением на коммерческом рынке продукта, созданного на основе этого открытия, обычно проходит не меньше 15 лет. Речь идет именно о фундаментальном открытии, а не о техническом усовершенствовании какого-либо уже существующего на рынке товара. Например, от идеи приборов с зарядовой связью (1969 год) до появления на мировом рынке  цифровых фото- и видеокамер (80-е годы) прошло столько же лет. Заметим, что успех приходит только в случае существенных финансовых вливаний в новую область. Современная научная разработка - это дорогое удовольствие.

Исследование фуллеренов в мире началось в 1991 году, когда был придуман метод их массового получения. Прибавляем пятнадцать лет. Получается 2006 год. Какие же к этому времени появились практические результаты? Какие товары появились на рынке?

http://www.nanojournal.ru/Attachment.aspx?Id=232

Завод Frontier Carbon Corporation (Mitsubishi group).

В Японии к этому времени компания Мицубиси построила завод по производству фуллеренов, производительность которого - десятки тонн в год. Производство углеродных нанотрубок достиго 100 тонн в год. Нанотрубки используются в производстве аккумуляторов, без которых не могут работать телефоны, радиоприемники и т.д. Новые батарейки внешне ничем не отличаются от обычных. Единственная разница - срок их службы увеличился в десятки раз. Начат промышленный выпуск суперконденсаторов, электрическая емкость которых в десятки тысяч раз превышает емкость конденсаторов известных нам из школьных учебников. Они могут перезаряжаться неограниченное число раз. И давать электроэнергию для работы переносных легких электродвигателей. Простейший пример: 10 минут покрутили педали велосипеда и получили электрическую энергию для моторчика, чтобы подняться в горку. Или чтобы заработал ваш телефон или компьютер. Причем, работать такие конденсаторы могут и в жару и в холод.

Японская фирма Фуджи выпускает теплооотводы для электротехнических устройств на основе углеродных нанотруб. Их теплопроводность в 6-7 раз превышает теплопроводность металлов. Того же алюминия, из которого делают радиаторы для охлаждения «сердца» компьютера - процессора. Как говорится, почувствуйте разницу и масштаб возможных применений! Нанотрубки могут стать элементом компактных интегральных схем. На международной конференции 2007 года в Берлине была продемонстрирована возможность их применения при сборке схем в корпуса: высокая электропроводность, гибкость, прочность и наноразмеры трубок делают их незаменимыми для следующего поколения электронных чипов.

Востребован наноуглерод и в медицине. Так как обычный углерод – один из основных компонентов, который входит в состав живых тканей, наноуглероды – основа для создания биологически совместимых материалов. Сейчас Институт экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге вместе с Институтом гриппа ведет работы по изучению антивирусного действия фуллеренов. Еще в начале исследований их биологической активности отмечалось, что фуллерен может препятствовать взаимодействию вируса с клеточной мембраной. Разумеется, чтобы создать и опробовать лекарства, нужно время. Сейчас новые лекарства проходят испытания на мышах.

http://www.nanojournal.ru/Attachment.aspx?Id=233

Упорядоченные массивы (пленки) многослойных нанотрубок на кварцевой подложке, диаметр труб 30-40 нм, толшина пленки 60-80 мкм (длина нанотрубок). (MER Corporation)

3. Разработки по наноуглеродам в России и за рубежом.

Разработки по наноалмазам наши ученые вели еще в Советском Союзе. Так что, в этой области мы впереди. Что касается фуллеренов, то исследования и у нас, и в других странах начались практически одновременно – в начале 90-х годов. Этому очень помогла поддержанная Министерством науки программа «Фуллерены и атомные кластеры». На стадии научных исследований мы были в первых рядах. А вот когда настал черед детальных исследований и прикладных разработок, и понадобилось специальное оборудование и, соответственно, большие денежные средства, ситуация резко изменилась. На этой стадии работа ученых должна быть востребована промышленностью или финансироваться в рамках специальных государственных программ. Завод по производству фуллеренов в Японии, например, был построен на средства и по инициативе компании Мицубиси.

В России ни той, ни другой поддержки до недавнего времени не было. Поэтому мы стали отставать. А лидеры сегодня – это США и Япония. Правда и у нас стали появляться «первые ласточки». В Тамбовском государственном техническом университете, например, разработана технология производства углеродных нановолокон, совершенствуется технология получения нанотрубок. Мы занимаем достойное место в мире в области полимер-фуллереновых композиций и биомедицинских приложений.

4. Оборудование, необходимое для проведения серьезных исследований.

Для таких исследований много чего нужно. Нужен просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, сканирующий электронный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, спектроскопия комбинационного рассеяния света, хорошая рентгеновская установка, включая малое угловое рентгеновское рассеивание. Желательно чтобы в зоне досягаемости еще был синхротрон, приборы оптической спектроскопии и для измерения динамического лазерного рассеяния.















Просвечивающий электронный микроскоп Tecnai (фото с сайта www.mihttp://www.nanojournal.ru/Attachment.aspx?Id=236croscop.ru)

Один просвечивающий микроскоп стоит не меньше 1 млн. долларов! Каждая лаборатория все это купить, конечно же, не в состоянии. Поэтому нужно развивать Центры коллективного пользования. Радует, что в последнее время они стали появляться. Каким бы умным ученый ни был,  «палочкой и веревочкой» в нанотехнологиях ничего не сделаешь.

5.Дизайн углеродных аллотропов

Углерод давно прослыл элементом особым, не похожим на другие. Вся органическая химия своим существованием обязана именно ему. Чтобы не было обидно химикам-неорганикам, напомним, что углерод есть и у них (карбиды, карбонаты, цианаты, цианиды, карбонилы металлов и ещё несколько соединений с одноуглеродными молекулами — СО, СО2, COS, CS2). Конечно, алмаз и графит — тоже неорганика. Не будем спорить, хотя здесь налицо важный признак органических соединений — связь углерод-углерод. Пускай это будут углеродные полимеры!

Что касается искусственно полученного карбина –(–С≡С–)n–, то неорганики на него и не претендуют, так как он получается из ацетилена, типичного органического соединения. Полимерный карбин некоторое время занимал третье место в ряду аллотропных модификаций углерода и исчерпывал, как полагали, аллотропные возможности углерода. Но пытливый ум химиков-органиков строил проекты новых органических чисто углеродных молекул.

Отметим, что алмаз, графит и карбин редко являются чистым углеродом. Хотя на долю краёв макромолекул (граней кристаллов алмаза, краёв графитовых слоёв и концов молекул карбина) приходится ничтожная часть вещества, здесь чаще всего присутствуют примесные молекулы — вода, кислород и другие атомы или функциональные группы.

Химикам-дизайнерам было ясно, что чисто углеродные молекулы нужно искать среди циклов, так как у них нет концов. Вот простейшие примеры молекул малых циклоалленов С4 (циклобутатетраен) и С6 (циклогексагексаен), которые состоят только из sp-гибридизированных атомов углерода.

Здесь четыре и шесть углеродных атомов, связанных в алленовые цепочки, образуют четырёх- и шестичленный циклы, причём шестичленный цикл можно составить также из углеродных атомов, соединённых поочерёдно тройными и простыми связями (циклогексатриин). Но эти углеродные молекулы вряд ли можно будет получить в виде устойчивых веществ, уж больно они напряжённы и потому чрезвычайно активны. Нормальный валентный угол в алленовых цепочках С=С=С, как и в ацетиленах, равен 180°. Можно, конечно, увеличить длину цепочки и сделать алленовый макроцикл (15–20 и более атомов). Органики умеют делать циклы любого размера. Чем больше размер макроцикла в циклоаллене, тем меньше в нём угловое напряжение. Однако реализовать этот проект пока что не удалось, хотя принципиального запрета здесь нет.

Следующий наноуглеродный проект — создание полициклических молекул, составленных из sp2-гибридизированных атомов углерода У них нормальный валентный угол 120°, но возможны отклонения. Простейшие гипотетические примеры — углеродный тетраэдр (С4), углеродный куб (С8) и углеродный додекаэдр (С20).

Первые две структуры, несмотря на кажущуюся привлекательность, так же маловероятны, как и вышеупомянутые малые циклоаллены, — слишком велико угловое напряжение в их молекулах. Циклопропен и циклобутен известны, но здесь всего одна напряжённая двойная связь, а циклобутадиен с двумя такими связями удаётся зафиксировать только в сильно охлажденном виде (–196°С), и то с помощью спектральных приборов.

При переходе к пятичленным циклам (углеродный додекаэдр) напряжение заметно ослабевает, но начинает действовать новый запрет: двум пятичленным циклам, составленным из sp2-гибридизированных атомов углерода, невыгодно быть по соседству, или, как говорят органики, быть конденсированными друг с другом (правило „изолированного пятичленного цикла“ в ненасыщенных каркасных молекулах). А в углеродном додекаэдре таких запрещённых конденсированных пятичленных циклов даже двенадцать. Напряжение заметно падает, а запреты снимаются, если пятичленные циклы „разбавить“ шестичленными. Наименьшая полициклическая структура, в которой это условие выполняется, должна содержать 60 атомов углерода. В ней 20 шестичленных и 12 пятичленных циклов.

hello_html_1ddb2d8a.png


6.Его величество Фуллерен

Таким образом мы пришли к бакминстерфуллерену С60, путь к которому отмечен такими вехами: предсказан в 1966 году (статья D.E.H. Jones в научно-популярном журнале „New Scientist“), рассчитан квантово-химическим методом в 1973 году (статья Бочвара Д.А. и Гальперн Е.Г.) и, наконец, получен в микроколичествах в 1985 году (статья H.W. Kroto, J.R. Heath, S.С. O'Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley). С тех пор изготовлены десятки, если не сотни килограммов этого удивительного вещества, а его изобретателям присуждена Нобелевская премия по химии за 1996 год.

Длинное и труднопроизносимое название бакминстерфуллерен происходит от имени и фамилии далёкого от химии американского архитектора Бакминстера Фуллера. Он предложил строить куполообразную кровлю без подпорок в виде конструкций из шестиугольных и пятиугольных фрагментов, соединённых в строго определённом порядке. Молекула С60 в точности повторяет одну из таких конструкций. Изобретатели молекулы С60 вспомнили своего соотечественника и назвали детище его именем. Нужно отметить, что молекула С60 повторяет геометрическую фигуру, которую знал ещё древнегреческий математик Архимед и которую математики называют усечённым икосаэдром. Так что вещество с такой молекулой можно было бы назвать и архимедреном, но среди изобретателей С60 не оказалось греков.

Кожаная оболочка футбольного мяча часто имеет форму усечённого икосаэдра, поэтому С60 иногда называют бакиболом или футболеном. В первом названии ещё прослеживается связь с архитектором, а во втором суффикс „ен“ подчёркивает наличие двойных связей, которых в „футбольной“ молекуле 30. Наконец, сокращённое название С60 — фуллерен.

Астрономы обнаружили его в космосе и метеоритах; математики открыли много нового в усечённом икосаэдре и других многогранниках; биологи заметили похожие на фуллерен биологические структуры у живых существ и продуктов их жизнедеятельности; геологи нашли фуллерен в некоторых породах; материаловедам тоже понравились уникальные вещества.

Фуллерен стал самым упоминаемым в научных статьях веществом. С момента открытия ему посвящены десятки тысяч статей, взяты сотни патентов, написаны монографии (первая монография на русском языке указана в конце статьи), выходит журнал „Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures“, посвящённый фуллерену и родственным структурам. Учёные по нескольку раз в год собираются на научные конференции, чтобы сообщить миру о новых свойствах и применениях фуллерена. Фуллерен проник в энциклопедии и учебники, возникла наука „фуллереноведение“. Начато полупромышленное производство фуллерена. Из экзотического вещества он превратился в продукт, который можно заказать и купить в любых количествах. Правда, цена его пока что сравнима с ценой алюминия в 1825 году, когда оный алюминий был только что получен и стоил дороже золота.

Фуллерены мало реакционноспособны, они могут вступать только в реакции присоединения. В первую очередь в них участвуют связи между 5- и 6-членными кольцами. В молекуле фуллерена С60 диаметр атомного остова составляет 0,7 нм; во внутреннюю полость диаметром 0,44 нм могут поместиться некоторые атомы, например азота, металлов (La, Gd, Be, Ca и др.), инертных газов (Не, Ne, Ar, Kr, Xe). Образуются так называемые эндоэдральные фуллерены. Их обозначают подобно адресу электронной почты: N@C60. Атомы, включённые в полость, оказываются надёжно спрятанными, как вещество в запаянной ампуле, и выходят оттуда только при разрушении оболочки фуллерена. С самой оболочкой, как ни парадоксально, они не реагируют, даже если это, например, атомарный азот.

В кристаллической решётке между сферическими молекулами фуллеренов также имеются пустоты. Они могут заполняться атомами щелочных металлов. Эти „соединения включения“ называют фуллеридами. Некоторые из них, например фуллерид рубидия, имеют сравнительно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние. У Rb3C60 это 29К, что превышает температуру перехода некоторых промышленных сверхпроводников.

Новые вещества можно и должно предсказывать, а не ждать, когда они сами появятся на свет. Надо только уметь доказать, что предполагаемое соединение имеет право на существование, и найти для него полезное применение.

hello_html_25c9b5b9.png

hello_html_m1894e435.png

.применения детонационных наноалмазов и наноуглеродов


7.Углеродные трубки — самые тонкие трубки в мире

Химики научились превращать графит не только в фуллерены, но и в ещё одну аллотропную форму — углерод с трубчатыми молекулами. „Химия и жизнь“ рассказывала о них, последний раз — в 2004 году, в № 6. Стенки этих трубок сетчатые, из шестигранных ячеек, как и плоскости из атомов углерода в графите. Диаметр углеродных трубок составляет от 0,7 до 25–30 нм, поэтому их назвали нанотрубками. Это тончайшие трубки из всех известных: сечения самых тонких стеклянных капилляров, которые удалось изготовить, составляют десятки и сотни тысяч нанометров.

На рисунке показаны проекции моделей четырёх изомерных нанотрубок, каждая из них содержит 216 атомов углерода. Для наглядности, как и в случае фуллеренов, жирными линиями выделены связи передней части (той, что ближе к наблюдателю). Верхний и нижний края содержат по 24 углеродных атома. Диаметр первой (зигзагообразной) нанотрубки — 0,93 нм, четвёртой (кресловидной, или зубчатой) — 0,81 нм (название даётся по форме края); обе имеют плоскости симметрии. Вторая и третья плоскостей симметрии не имеют и выглядят кособокими. Нетрудно заметить, что они — зеркальные изображения друг друга, которые нельзя совместить. Это примеры так называемых хиральных нанотрубок. Через самые тонкие нанотрубки могут пройти только отдельные атомы или небольшие молекулы, но бывают нанотрубки и потолще. Получены нанотрубки, нашпигованные молекулами фуллеренов. На электронной микрофотографии они похожи на стручки гороха. Диаметр таких нанотрубок — 1,3–1,5 нм.http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/1.gif

Впервые идея о получении углеродных нанотрубок была высказана автором этой статьи именно в „Химии и жизни“ (1985, № 8). Там фигурировала простейшая модель трубчатого углерода — свёрнутый в трубку лист графита. Для подтверждения правдоподобности такой модели в статье (ссылка в конце) был приведён результат расчёта Δ, то есть отклонений от 360° сумм валентных углов при каждом углеродном атоме в шестичленных кольцах на цилиндрической поверхности зигзагообразной нанотрубки (К — число колец в сечении).

K

3        4        5

6      7

8

9

10

Δ

31,6   16,5   10,3

7,0   5,1

3,9

3,1

2,4

Оказалось, что у нанотрубки с диаметром 0,8 нм (К = 10) отклонение каждого из углов не должно превышать 2,4/3 = 0,8 градуса. Среди органических соединений встречаются вполне устойчивые вещества (например, парациклофан), в которых отклонение сумм углов в ароматических кольцах от 360° имеет тот же порядок. Более точный расчёт подтвердил, что углеродные трубки можно получить и они будут устойчивы.

В 1991 году нанотрубки были получены, причём условия превращения оказались почти такими же, как и в случае фуллерена, но требовался катализатор — кобальт или никель. Как происходит превращение графита в нанотрубки, точно не установлено. Одни считают, что сначала графит полностью разрушается и трубки возникают из графитового пара (графит сублимируется при 3500°С). Но этот путь требует слишком высоких энергий и потому маловероятен. Углеродные нанотрубки вполне могут образоваться на краях листов из графита в результате их сшивания под действием катализатора. Он работает наподобие застёжки-молнии, которая двигается в обе стороны вдоль края графита. Сначала катализатор сшивает слои, образуя закругление. Затем, двигаясь обратно вдоль образовавшегося закругления на некотором расстоянии от него, катализатор делает разрез и вновь соединяет края. Образуется нанотрубка. Далее катализатор движется в первоначальном направлении и повторяет процесс разрезания и сшивания, как челнок ткацкого станка. Такой способ позволяет объяснить образование нанотрубок, имеющих толщину, кратную расстояниям между слоями графита, и делает понятным появление многостенных нанотрубок.

Нанотрубки способны самопроизвольно закрываться колпачками. На каждом конце образуется по шесть пятичленных колец, то есть с двух концов — двенадцать, как в молекулах фуллеренов: закрытые колпачками нанотрубки можно рассматривать как фуллерены, но сильно удлинённые. Причём наиболее реакционноспособные части нанотрубок — это их колпачки.

Как и фуллерены, нанотрубки уже используются на практике. Их применение основано на особых оптических, полупроводниковых и механических свойствах. Вот, например, весы из нанотрубки для взвешивания отдельных молекул. Нанотрубка закреплена с обеих сторон и натянута, как струна. Рядом размещается металлическая пластинка, на которую подаётся напряжение, заставляющее струну вибрировать с определённой частотой. Наноструна, конечно, не издаёт звуки, слышимые человеческим ухом, — она излучает волны в радиодиапазоне. Если на натянутую нанотрубку поместить исследуемую молекулу, частота изменится, и это изменение зависит от массы молекулы.

hello_html_2abca410.png


hello_html_m4de513c7.png

Микро-и нано углерода - фильтры, которые уничтожают все...



8.Углеродные нанокольца — окаменевшие пузырьки?

Идея образования углеродных наноколец из нанотрубок была высказана в упомянутой уже статье в журнале „Химия и жизнь“, но была ли она реализована, пока неясно. В 1999 году появилась статья R. Martel, H.R. Shea, P. Avouris „Кольца из одностенных углеродных нанотрубок“ („Nature“, v. 398), в которой была приведена вот эта фотография. Сырьём послужили углеродные нанотрубки. Их обрабатывали при 40–50°С перекисью водорода в концентрированной серной кислоте, облучая при этом ультразвуком. В этих условиях длинные нанотрубки укорачивались до длины 2–4 нм, а концы отрезков активировались за счёт образования карбоксильных групп. Что делал ультразвук? Известно, что он вызывает в жидкости акустическую кавитацию — образование пузырьков, которые тут же захлопываются. Предполагалось, что центрами образования пузырьков будут нанотрубки. Вследствие их гидрофобного характера они будут выталкиваться на границу раздела пузырьков с жидкостью. Здесь под действием сил поверхностного натяжения и энергии ультразвукового излучения сравнительно жёсткие нанотрубки изогнутся по форме пузырьков, образуя спирали и кольца. Замыкание произойдёт за счёт соединения активных групп на концах нанотрубок. Пузырьки захлопнутся, а молекулы-нанокольца останутся.

Оригинальная идея оказалась правильной. Пузырьки, возникшие в результате кавитации, оставляли как бы окаменевшие следы. Иногда замыкание наноколец не происходило, и тогда образовывались скрученные обломки, которые также хорошо видны на микрофотографии. Выход наноколец достигал 50%. Было подсчитано их распределение по размерам. Оказалось, что чаще всего они имеют радиус 320–400 нм и толщину 26–31 нм. О каких-либо других свойствах углеродных наноколец пока не сообщалось, но можно предположить, что они будут столь же необычными, сколь уникальна форма их молекул. К сожалению, в следующей статье (Phys.Rev. В, 1999, v. 103) авторы стали отрицать образование наноколец, предложив для продукта спиральное строение без соединения концов. Возможно, у них были на то причины, но они их не сообщили, и нам остаётся только ждать новых публикаций. Или сделать такие колечки самим.http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/2.gif

Возможные особые свойства могут быть связаны вот с чем. В магнитном поле в бензольных циклах нанокольца должны возникать р-электронные токи, причём для этого не нужны сверхнизкие температуры. Если локальные токи охватят всю ароматическую систему наноколец, то они, подобно сверхпроводящим соленоидам, приобретут значительную намагниченность. Получится новый магнитный материал с высокой намагниченностью.














9.Как их называют и как собирают?

Сначала предлагаем полюбоваться моделями трёх наноколец (зигзагообразного, кресловидного и хирального), изготовленных компьютерным способом. Все они содержат по 2400 углеродных атомов и построены только из шестичленных колец, как графит. В отличие от фуллеренов, здесь пятичленные кольца не нужны.

http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/3.jpg

Было бы наивным полагать, что таким гигантам можно дать систематические названия подобно другим органическим соединениям. Да и какие слова здесь могуть подойти, если вся молекула состоит из одного углерода? Нужна какая-то другая система. Это стало понятным после того, как были сделаны попытки назвать фуллерен С60. Его рассматривали как каркасный углеводород с шестьюдесятью углеродными атомами, поэтому основой был гексаконтан. В названии отразили структуру каркаса из тридцати одного цикла (так по номенклатуре) и наличие тридцати двойных связей. Мы не будем приводить нудное объяснение, как это делали, но вот конечный результат:

гентриаконтацикло[29.29.0.02,14.03,12.04,59.05,10.06,58.07,55.08,53.09,21.011,20.013,18.015,30.016,28.017,25.019,24.022,52.023,50.026,49.027,47.029,45.032,44.033,60.034,57.035,43.036,56.037,41.038,54.039,51.040,48.042,46]гексаконта-1,3,5(10), 6,8,11,13(18),14,16,19,21,23,25,27,29(45),30,32(44),33,35(43),36,38(54),39(51),40(48),41,46,49,52,55,57,59-триаконтаен!

Такими названиями пользоваться невозможно. Поэтому для фуллеренов IUPAC предложил специальную номенклатуру, отражающую число атомов углерода и симметрию молекулы (www.chem.qmul.ac.uk/iupac/fullerene/). Структуры С60 (симметрия I h )и С70 (симметрия D5h ) получили такие названия: [5,6]-фулерен-бО-I h, [5,6]-фулерен-70-D5h. Цифры в квадратных скобках отражают наличие только 5- и 6-членных колец (теоретически возможны кольца другого размера) Таким образом, названия фуллеренов — это фактически буквенно-цифровые коды. Существует также способ нумерации углеродных атомов для обозначения продуктов присоединения к молекулам фуллеренов.

Нанотрубки можно рассматривать как полимерные структуры, а нанокольца — как олигомеры. В 2002 году группа авторов (Корнилов М.Ю., Плахотник В.В., Михайленко А.В., Любчук Т.В., Реутов Д.В., Исаев С.Д.) предложила универсальный способ их кодирования, основанный на математических понятиях бусинки (элементарного звена) и ожерелья (повторяющегося макроцикла в поперечном сечении нанотрубки или нанокольца). Код нанотрубки состоит из четырёх числовых, одного буквенного параметра и в общем случае имеет вид (p, q, w, t, χ). Каждая бусинка всегда содержит чётное число атомов углерода и задаётся в коде парой взаимно простых чисел р и q. Возможны такие наборы параметров р и q: 1,0; 1,1; 2,1; 3,1; 3,2; 4,1; 4,3; 5,1; 5,2; 5,3 и т. д.

Третий параметр w — количество бусинок в ожерелье. Четвёртый параметр t — количество ожерелий в нанотрубке. Пятый, буквенный параметр кода χ — признак наличия хиральности. Если хиральность есть (р > 1), то параметр χ обозначаем, например, зеркально симметричными буквами R и Я. Если хиральности нет, параметр χ вовсе опускаем, так как отсутствие хиральности следует из величин первых двух параметров: р = 1, q = 0 (зигзагообразная нанотрубка) и р = q = 1 (кресловидная нанотрубка). Справа показаны развёртки четырёх изомерных отрезков нанотрубок для N = 12, соответствующие коды и проекции этих нанотрубок. Все четыре структуры содержат по три ожерелья (t = 3). Передние (ближе к наблюдателю) связи показаны жирными линиями, атомы углерода верхнего и нижнего ожерелий обозначены кружочками. Бусинки верхнего ожерелья обведены овалами.http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/4.gif

У первой нанотрубки ожерелье содержит шесть бусинок (w = 6), каждая из которых состоит из двух атомов углерода. У второй нанотрубки ожерелье состоит из трёх бусинок (w = 3), содержащих по 4 атома углерода каждая. Обе нанотрубки имеют плоскость симметрии, то есть они ахиральны. У третьей нанотрубки имеется две бусинки из 6 атомов углерода каждая, а у четвёртой — одна бусинка из 12 атомов углерода. Две последние нанотрубки хиральны, они существуют в виде двух пар нетождественных зеркально симметричных энантиомеров с кодами (2, 1, 2, 3, R) и (2, 1, 2, 3, Я), (5, 1, 1, 3, R) и (5, 1, 1, 3, Я). Число различных ожерелий с заданным числом атомов углерода N, а также состоящих из них изомерных нанотрубок составляет N/2.

Этот метод кодирования нанотрубок годится и для наноколец, но требует указания ещё двух целочисленных параметров, α и β. Они показывают, как соединены концы нанотрубки перед замыканием нанокольца — без поворота или с поворотом концов друг относительно друга. Если поворота нет, α = β = 0, то есть код заканчивается двумя нулями; если делается один полный оборот, то α = 1, то есть код заканчивается единицей и нулём; если два оборота, то двойкой и нулём и т. д. Параметр β может принимать значения от 0 до w - 1, то есть он определяется количеством бусинок в ожерелье, это параметр взаимных сдвигов бусинок у соединяемых концов. Таким образом, код нанокольца в общем случае имеет вид (p, q, w, t, χ, α, β). Например, приведённые выше три нанокольца имеют такие коды: (1, 0, 10, 120, 0, 0), (1, 1, 5, 120, 0, 0), (3, 1, 3, 100, Я, 0, 0). А разработанная группой авторов (И.В. Руденко, Д.В. Реутов, А.В. Михайленко, М.Ю. Корнилов) компьютерная программа (приложение к пакету HyperChem) построит нанотрубку или нанокольцо из тысяч углеродных атомов, для чего достаточно просто задать её код.

hello_html_78768f93.png





10.Маленькое приложение для будущего дизайнера

Поверхность любой нанотрубки и любого нанокольца можно раскрасить, выделяя три полосы шестичленных колец, соединённых противоположными сторонами между собой. Полосы имеют вид спиралей, окружностей или прямых линий. Если нанотрубка или нанокольцо ахиральны, две спирали получаются зеркально симметричными, а если наноструктуры хиральны, то все три полосы разные. По этому признаку можно легко отличить хиральные наноструктуры от ахиральных, а также установить тождественность или различие структур, сравнив, например, число витков спиралей, шестичленных колец или углеродных атомов в них. Этот способ особенно эффективен, когда наноструктуры содержат тысячи углеродных атомов. Раскрасить спиральными полосами поверхности нанотрубок и наноколец позволяет приложение к пакету HyperChem. Вот как выглядят спиральные раскраски ахиральных нанотрубок — зигзагообразной (1, 0, 10, 60) и кресловидной (1, 1, 66, 48).

http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/5.gif

Две из раскрасок, как и должно быть, являются зеркально симметричными. А спиральные раскраски нанокольца (3, 1, 3, 100, Я, 0, 0) — разные, так как оно хиральное

http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/6.gif

Спиральные раскраски зигзагообразного нанокольца (1, 0, 10, 120, 0, 0) являются зеркально симметричными, каждая раскраска содержит по шесть витков спирали.

http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/7.gif

Если это нанокольцо перед замыканием скрутить на один оборот, оно становится хиральным. В результате спиральные раскраски опять же получатся разные.

http://wsyachina.narod.ru/chemistry/nanocarbon/8.gif

Впереди новые неожиданности его величества углерода. Почему бы и не попробовать открыть его тайны?

развитием промышленного производства наноуглерода пластмасса рискует отправиться в музей. Появившаяся благодаря развитию нефтехимической промышленности в 60-е годы двадцатого века пластмасса получила повсеместное применение... Но спустя сто лет безраздельного господства она исчезает, уступая место новым материалам с потрясающими качествами.

«После каменного, бронзового, железного веков, века биотехнологии мы наконец вступили в новую эру — век наноуглерода!» — делая такое заявление перед прессой, президент компании «Nano+», первого в мире производителя наноуглерода, фактически объявил, что с пластмассой покончено! Вскоре наноуглерод перевернет нашу жизнь. Он не только обладает необычайными рабочими характеристиками, но может делать все что угодно. Он тверд как железо! Чтобы объяснить, каким образом невозможное стало осуществимым, специалисты, собравшиеся на пресс-конференцию, проявили весь свой талант популяризаторов. Они в насколько это возможно доступной форме скрупулезно разобрали внутреннюю структуру этого нового материала, скелет которого состоит из «нанотрубок», то есть полых невероятно тонких волокон, тонких до такой степени, что надо было бы собрать в пучок 50 000 таких нитей, чтобы получить волокно толщиной в волос. «Это соединение обладает прочностью, в сто раз превышающей сталь, при этом оно в шесть раз легче!» — уточнил один из химиков в интервью средствам массовой информации. В доказательство прямо перед ареопагом ошеломленных журналистов хозяйственная сумка из наноуглерода выдержала груз в 5 тонн! Такой же пакет, сделанный из пластика, не выдерживает более 50 килограмм!

Чтобы добиться такого уровня прочности, понадобилось более шестидесяти лет исследований. Первые попытки создания этого нового революционного материала восходят к 1991 году. В этом году японец по имени Сумио Лиджима объявил о том, что он открыл полезные свойства наноутлерода. На первый взгляд ничего необычного. Было уже известно, что углерод, один из самых распространенных химических элементов, составляет основу молекул органических веществ, другими словами, живой материи. Химикам нравится напоминать, что нефть и уголь, образовавшиеся из останков разложившихся животных и растений, по большей части состоят из углерода. Они объясняют, что отличие углерода в его способности образовывать устойчивые соединения, тогда как другие элементы в основном используют других партнеров для формирования химических связей. Долгое время считалось, что существует только две формы углерода: графит и алмаз. Но вот в 1985 году на звездах была открыта еще одна молекула, состоящая из 60 атомов углерода! Об этом невероятном «подарке неба» почти забыли. Эта молекула С60 имела форму футбольного мяча. 60 атомов углерода были выстроены в длинные параллельные нити, подобно тому, как располагаются прутья клетки для птиц. Существует целое семейство таких «клеток», названных «фуллерены» в честь американца Р. Бакминстера Фуллера, который их изучал. В то время никто, даже ученые, не смогли бы предположить, что эти углеродные нанотрубки, представляющие собой некую среднюю форму углерода между графитом и алмазом, в будущем станут преемниками пластмассы. Так что, наконец найден идеальный материал? Некоторые в этом уже уверены. Но часто нужны годы, чтобы перейти от лабораторных исследований к промышленному производству, не считая множества трудностей, связанных с разработкой надежного наноуглерода, который можно было бы использовать без ограничений. Практически пять десятилетий упорного и беспрерывного труда понадобилось лабораториям на разработку чистых и однородных нанотрубок, а еще пятнадцать дополнительных лет — на то, чтобы наладить в крупных масштабах соответствующие технологии по их выпуску и очистке.

Наконец признано, что эти микроскопические нанотрубки, диаметр которых несколько миллионных миллиметра, являются столь долгожданным материалом, достойным носить титул «материал третьего тысячелетия», окрещенным так Международным союзом химической промышленности. За несколько месяцев наноматериалы проникли во все отрасли! Они теперь повсюду, они заменяют пластмассу гораздо быстрее, чем это было предусмотрено. Их можно встретить в микроэлектронике, робототехнике, информатике, в сфере энергетики, телекоммуникаций, в медицине и хирургии, в производстве транспорта и в сельском хозяйстве, в текстильной промышленности. Без них невозможно обойтись: даже детали двигателей, которые вчера еще делали из легких сплавов, отныне производятся из наноуглерода. Эти молекулы могут быть проводниками очень слабого тока (меньше одной миллионной ампера), что позволило выпускать электрические микромоторы без батареек, используя просто атмосферное электричество! Тот факт, что нанотрубки полые внутри, подсказал инженерам идею заполнять их другими материалами, например, крошечными частицами кобальта или никеля, для того чтобы делать магнитные носители информации, используемые, в частности, в жестких дисках компьютеров. В итоге получают необычайную мощность: 12 томов энциклопедии помещаются в булавочной головке! Так же удивительна возможность производить различные вещи, которые не оставляют после себя вредных для планеты отходов, а это огромный прогресс в деле охраны окружающей среды. Теперь можно выпускать настолько маленькие транзисторы, что в капле воды размещается тысяча миллиардов таких, и все это потребляет менее одной миллиардной ватта! Наноуглерод оправдывает все ожидания промышленности и делает реальными все самые невероятные предсказания научно-фантастических романов и фильмов. «Все, что когда-то мы видели в Голливуде, стало реальностью», — сказал президент группы «Nano+», уверенный в том, что в его руках такое же необычайное сырье, как нейлон в ХХ веке. И ученые подтверждают: наноуглерод в самом деле является чудесным материалом.

hello_html_1ceefbc2.png

хлопковая сеть, насыщена наноуглеродом



Его особенность заключается в том, что он происходит из природы, как и его благородные предшественники, использовавшиеся до конца XIX века: камень, дерево, кость, а затем железо и другие металлы, некоторые их которых, соединяясь между собой, давали прочные и легкие сплавы. Первым из таких сплавов была бронза; наши предки заметили, что, добавляя олово к меди, получают очень твердый металл, из которого можно делать различные сельскохозяйственные инструменты, а также оружие... Однако до XIII века в распоряжении человека было всего лишь семь металлов: золото, серебро, медь, ртуть, олово, железо и свинец. Потом появились новые категории материалов, такие как стекло и керамика, и только спустя долгое время к середине ХХ века человечество изобрело полимеры, известные под названием «пластмасса». На этот раз речь шла об искусственном материале, синтезированном путем соединения очень длинных цепочек органических молекул, или «макромолекул». Природа тоже умеет это делать (об этом свидетельствуют рога и черепаший панцирь), но человеческое воображение породило практически бесконечную гамму. Во второй половине ХХ и первой половине XXI века общество подчинило себя предметам из пластмассы, они использовались везде: в строительстве, машиностроении, авиации, в производстве спортивного инвентаря, в текстильной и других промышленностях. Даже в самых отдаленных уголках планеты, в глубинках стран третьего мира, лишенных даже самого необходимого, встречаются предметы из пластмассы — это могут быть старые бутылки из-под минеральной воды или пакеты из бывшего супермаркета, которые ветра носят по пустыне. В ХХ веке пластмасса была дешевым материалом, ее было легко обрабатывать, но она была не очень хорошего качества... Во всяком случае, существуют разные виды пластмасс: так называемые «технические», термоотверждаемые, имеющие применение в сфере высоких технологий. Из-за разбросанных вдоль пляжей и вблизи рек различных упаковок, которые способны сохраняться, не разлагаясь, целый век, некоторые ассоциируют пластмассу с веществами, загрязняющими окружающую среду. Среди «новых материалов», познавших в свое время славу, можно назвать «композиты», образованные путем скрещивания волокон двух подобных или различных материалов, такие как углерод-углерод или кевлар, На протяжении долгого времени по своим характеристикам они превосходили самые лучшие металлы, оставаясь при этом намного легче их. Их использовали в авиастроении, в космической отрасли, а также в сфере развлечений (доски для серфинга, корпуса лодок), в медицине (протезы). Бронежилеты также делаются из кевлара.

На этом список не заканчивается; композиты на металлической матрице, специальные эластомеры, техническая керамика, синтетические органические металлы, материалы с памятью формы, сверхпроводники и другие. Всех их в разные времена прочили в материалы будущего. Но человечество никогда не теряло надежды найти нечто лучшее... С появлением наноуглерода это дело решенное!



заключение



Следует понимать, что большинство экспериментов проводится в условиях, когда контакт наноматериалов с живым организмом достигается искусственным путем (имплантацией, капельным введением и т. д.), уровни доз необязательно отражают реальную картину. Кроме того, не учитывается возможность естественной защиты — например, нанотрубки склонны к формированию агломератов, размеры которых существенно больше, образование аэрозолей может быть затруднено. Нужны новые экспериментальные приборы «на стыке» биологии и материаловедения, следует выявить наиболее важные показатели токсичности; необходимо определять дозу, полученную клеткой-мишенью. Проблем еще много, и очень важна роль ученых, занимающихся новыми углеродными наноматериалами. Материалы, предоставляемые для токсикологических исследований, должны быть охарактеризованы хотя бы в такой степени: химический состав для всех элементов с содержанием > 0.1%; удельная поверхность, детальное описание морфологии, полученное с помощью электронной микроскопии; желательно иметь химический состав поверхности, текстуру, степень кристалличности. И, конечно, очень важно, объединив усилия исследователей из разных областей, создавать материалы, имеющие минимальную токсичность. Должна быть обеспечена обратная связь: за синтезом и очисткой наноматериалов должны следовать стадии токсикологической проверки, полученная информация должна использоваться для оптимизации стадий синтеза и очистки. Только такой подход позволит защитить здоровье людей и окружающую среду.



НАНОУГЛЕРОД – ЧУДЕСА ИЛИ ДОСТИЖЕНИЯ НАУКИ
  • Физика
Описание:

Данная работа является конкурсным проектом "Будущее Алтая". Составлена и разработана учащимся 11 класса. В работе дается четкое понятие наноуглерода. На примере рассматривается данное понятие. Работа является очень доступным понятием наноуглерода.

 Учащиеся с большим интересом занимаются изучением данной темы. Нами рассмотрены конкретные примеры применения наноуглеродов, какую роль они играют в развитии современной науки.

 Данная работа рекамендована для учащихся старших классов как дополнительный материал. Так же является позновательным материалом для учащихся интересующихся изучнием современной физики и наук.

Автор Фадеева Галина Эдуардовна
Дата добавления 07.01.2015
Раздел Физика
Подраздел
Просмотров 1234
Номер материала 40288
Скачать свидетельство о публикации

Оставьте свой комментарий:

Введите символы, которые изображены на картинке:

Получить новый код
* Обязательные для заполнения.


Комментарии:

↓ Показать еще коментарии ↓