Презентация на тему Фуллерены и углеродные нанотрубки

фуллеренов
Физические свойства фуллеренов
Химические свойства фуллеренов
Углеродные нанотрубки
Открытие нанотрубок
Структура и

номенклатура УНТ
Синтез углеродных нанотрубок
Физические свойства УНТ
Химические свойства УНТ
Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок
Заключение

Содержание

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Углеродные нанотрубки










Углеродные каркасные структуры

Введение

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

модификации углерода

(или близкой к сферической) формы,
состоящих из пяти- и

шестиугольников,
в вершинах которых находятся атомы углерода.

Фуллерены

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

конфигурации типа выпуклых поверхностей;
К 1964 г. - используя возможности

лазерной техники, экспериментаторы провели опыты по испарению углерода в несколько иной по­становке;
1971 - физиком Е. Осавой была обсуждена возможность существования такой структуры (Япония) ;
1964-1984 гг. - быстрое развитие нового научного направления, связанного с изучением кластеров;

Кластер - достаточно рыхлое молекулярное образование, содержащее большое число атомов.

1973 г. - в СССР впервые был проведён квантово-химический расчёт стабильности и электронной структуры фуллерена;
1984-1990 гг.– исследование углеродных кластеров привилегированной группой ученых.

История открытия фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

под названием
«С60: buckminsterfullerene»:

Интерпретация пика в масс-спектре материала, полученного

путём испарения графита, как замкнутой углеродной структуры, имеющей форму футбольного мяча

История открытия фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Бакминстерфуллерена в кристаллическом виде;
1992 г. - в Шуньгских антраксолитах

Карелии были впервые обнаружены фуллерены;
Лето 2010 г. - фуллерены впервые обнаружены фуллерены в космосе

История открытия фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Купол павильона США на выставке в Монреале

Ричард Бакминстер Фуллер (англ. Richard Buckminster Fuller; 12 июля 1895 — 1 июля 1983)

углерода расположены в их вершинах ;
С–С связи

пролегают вдоль ребер ;
из каждой вершины многогранника исходит по три ребра ;
оставшиеся валентные электроны образуют π-систему молекулы, состоящую из в той или иной степени делокализованных двойных связей ;
четность числа атомов в фуллеренах.

Теорема Эйлера В + Г - Р =2

Структура фуллерена (слева) и расположение атомов на его поверхности

Различные виды фуллеренов

одна в другую оболочек, как было показано расчетами, являются

наиболее стабильными структурами углерода, если число атомов в кластере составляет 106-107.

Производные фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Проекции углеродной луковицы с пятью оболочками из концентрических фуллеренов вдоль осей симметрии С5 (а) и С2 (б)

Модель структуры
углеродной луковицы,
содержащая семиугольники

Углеродные луковицы
Масштабная шкала 5 нм

углерода:
С59В, (C59N)2, С58В2, С57В3, C58BN, получаемые

возгонкой графита с добавками бора
или в атмосфере, содержащей N2, CH3NH2
и другие азотсодержащие вещества

С59В
Фуллероиды - подобные фуллеренам вещества (квазифуллерены), образуются при введении в структурный угле­родный каркас «классических» фуллеренов дополнительных атомов, удалении из этого каркаса атомов или разрыве связей в каркасе.

При замещении связи С-С метиленовой группой образуются гомофуллерены, при удалении атома С без разрыва су­ществовавшей связи – норфуллерены.

Производные фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

фуллеритами.










Эндоэдральные фуллерены (Mm@Cn) —молекулы фуллеренов, в клетку которых заключены

один или несколько атомов или молекул.

Экзоэдральные производные фуллеренов (фуллереновых аддуктов - атомы, ионы или молекулы находятся снаружи углеродной оболочки).

Производные фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Кристаллическая решетка С60

Эндоэдральный комплекс
La@С60

Эндоэдральный комплекс
Li2@С60

фуллерена из фрагментов, содержащих шестиугольники
а – отдельные фрагменты структуры,
б

– объединение фрагментов

Схема формирования фуллерена
из атомных цепочек

фуллеренов Смолли
Установка Крэчмера

реактора Вудла. 1 - система
откачки и подачи гелия, 2

- колпак, 3-4 - электроды, - медный электрод, 6 - манометр

Схема установки SOLAR-1, сконструированной Смолли.
1 — параболическое зеркало, 2 - мишень из графита, - предварительный нагреватель, 4 - изолированные провода нагревателя, 5 - стеклянный колпак. Стрелками показано направление световых лучей

1200 К
tплавл = 1180 °С
обладает свойствами фотопроводника
нерастворим в

воде
p н.у.= 1,69 г/см3


Кристаллические фуллерены – полупроводники с относительно невысокими энергиями связи.

Физические свойства фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

радикалов;
образование комплексов
переходных металлов;
окисление и реакции с
электрофильными реагентами.

Химические

свойства фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Химические свойства фуллеренов

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 гексагональных графитовых
плоскостей.

Углеродные нанотрубки

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

трубчатых форм углерода, образующихся при пиролизе смеси СН4 и

Н2 в железном тигле;
1948 г. - обнаружены углеродные волокна при пиролизе СН4, С2Н6 и С2Н4 на кварцевой подложке при 1473 К;
кон. 1940-х – нач. 1950-х - серия работ по получению и изучению продуктов термического разложения монооксида углерода на железных катализаторах;
1991 г. - в продуктах дугового синтеза фуллеренов были обнаружены МУНТ;
2002 г. - в России заработала первая лабораторная непрерывно действующая установка по синтезу МУНТ.

Открытие нанотрубок

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

нанотрубки"
а)
б)
в)
Структурные типы нанотрубок
структура типа «кресло (а) и структура
типа «зигзаг»

(б); хиральный тип (в)

Различные расположения шестиугольников боковой поверхности УНТ относительно продольной оси с: а – структура типа «кресло», б – структура типа «зигзаг», в – хиральная структура

Схематическое изображение наиболее распространенных структур многослойных нанотрубок: (а) русская матрешка; (б) свиток; (в) папье-маше.

С = na1 + ma2

образующиеся в результате внедрения атомов других веществ в полость

нанотрубок;

экзоэдральные нанотрубки (нанотубулярные аддукты), образующиеся в результате присоединения к нанотрубкам атомов других веществ;

гетеронанотрубки (легированные нанотрубки), образующиеся в результате замещения углеродных атомов нанотрубок атомами других веществ;

интеркалированные нанотубулярные сростки, образующиеся в результате внедрения атомов других веществ в межтрубное пространство сростков УНТ

Производные УНТ

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

нанотрубки: а) графитовый слой и лента; б) нанотрубка .

Кроме индексов (n, m), геометрию нанотрубки можно охарактеризовать длиной окружности цилиндра С и углом хиральности F. Если вектор С совпадает с вертикальной или наклонной “разреженной” линией шестиугольников, получаются нехиральные трубки (n, 0) и (n, n).

УНТ

нанотрубки"
Схема установки для получения нанотрубок методом лазерного испарения
Схема

технологического процесса получения углеродных нанотрубок методом CVD

Самосборка нанотрубок в растворе

Локтевое соединение
между кресельной и зигзагной
нанотрубками

Влияние дефекта на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов

и определяются несколькими факторами:
необычно высокой прочностью sp2-связей С-С;
рекордно большой

плотностью упаковки атомов в графенах;
отсутствием или малой плотностью дефектов структуры (именно наличие неизбежно образующихся дефектов де­лает реальную прочность, например, стали в 50-100 раз ниже рассчитанной теоретически для бездефектного материала).

Физические свойства УНТ

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Сравнение некоторых характеристик НТ со свойствами других материалов

включают:

раскрытие закрытых трубок путем их частичного окис­ления (например, парами

воды, смесей хлора и водорода, водных растворов кислот);

функциализацию (присоединение к ним функциональ­ных групп – при взаимодействии с кислородом, фтором, озоном, воздухом, кислородсодержащими кислотами и некоторыми кислород­содержащими солями );

реакции функциональных групп, присоединенных к УНТ;

заполнение внутренних полостей трубок различными веществами;

химические реакции в их полости;

замещение атомов углерода атомами других химиче­ских элементов;

интерполирование атомов и молекул «гостей» в ван-дер-ваальсовы полости c акцепторами электронов - бром, йод, FeCl3, HN03) и донорами электронов (щелочные металлы);

адсорбцию и хемосорбцию газов и паров (своеобразие взаимодействия газов и паров со сростками открытых УНТ);

декорирование внешних поверхностей трубок другими веществами (покрытие веще­ствами, которые не образуют прочных химических связей с поверхностными атомами матрицы, например, сплавами Co-B, Ni-P, оксидами металлов ZnO, CdO, A120 и др.) и использование их в качестве матриц.

Химические свойства УНТ

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

1) модифицирование фуллеренами стали приводит к значительному повышению ее

качеств;
2) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность;
3) в керамических изделиях снижает коэффициент трения;
4) в полимерных композитах способно увеличить его прочностные характеристики;
5) микродобавка фуллеренововой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала;
6) в качестве основы для производства аккумуляторных
батарей (принцип действия основан на реакции
присоединения водорода) обладают способностью
запасать примерно в пять раз большее количество
водорода;
7) в качестве катализаторов - способность принимать
и передавать атомы водорода;
8) в качестве добавок для получения искусственных
алмазов методом высокого давления выход алмазов
увеличивается на ≈30%;
9) мощные антиоксидантами, быстро вступающими
в реакцию со свободными радикалами,
которые часто являются причиной повреждения
и смерти клеток.

Применение фуллеренов

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Некоторые области применения фуллеренов

Сверхпроводимость)
нанотрубки могут найти применение
в огромном количестве областей:

добавки в полимеры;
катализаторы (автоэлектронная эмиссия
для катодных лучей осветительных элементов,
плоские панели дисплеев, газоразрядные трубки
в телекоммуникационных сетях);
поглощение и экранирование электромагнитных волн;
преобразование энергии;
аноды в литиевых батареях;
хранение водорода;
композиты (заполнители или покрытия);
нанозонды;
датчики;
усиление композитов;
суперконденсаторы.

Применение углеродных нанотрубок

Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Самый маленький в мире магнит: в нанотрубку удалось вставить кристалл никеля

Схема дисплея на основе
углеродных нанотрубок