Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий

Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли» Часть 2. НАНООБЪЕКТЫ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ И СПОСОБЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ Тема НАНОУГЛЕРОД

Ранее известные аллотропные модификации углерода – графит и алмаз

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ГРАФИТА И АЛМАЗА

НАНОУГЛЕРОД Диамондоиды, фуллерены, графены, нанотрубки, наноалмазы

Природные ДИАМОНДОИДЫ ( каркасные углеводороды ) обнаружены в нефтях Чехии в 1933 г. Простейшая структура (C 10 H 16) - адамантан (от древнегреческого наименования алмаза - αδαμας ). 1 – адамантан, 2 – диамантан, 3 – триамантан, 4 - тетрамантаны

Области применения ДИАМОНДОИДОВ : - антивирусные лекарственные препараты, - улучшенные ракетные топлива, - эффективные взрывчатые вещества, - устройства микроэлектроники - …………. .

ДИАМОНДОИДЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ Фактически все производители мониторов в Японии, а также фирмы США в настоящее время работают над созданием дисплеев с полевой эмиссией (field emission display - FED) - ярких плоских экранов, занимающих промежуточное положение (в том числе и по цене) между обычными экранами на ЭЛТ и ЖК-панелями.

ДИАМОНДОИДЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ В последние годы обнаружено, что эффективными наноэмиттерами электронов в FED дисплеях могут быть монослои молекул диамондоидов

В 2003 г. организовано коммерческое предприятие по выделению ДИАМОНДОИДОВ из сырых нефтей Chevron Texaco (США) Содержание диамондоидов в природных нефтях - 50 -500 микрограмм на грамм нефти (до 2000 микрограмм на грамм) Стоимость искусственного химического синтеза диамондоидов - до сотен долларов за грамм

Природные НАНОАЛМАЗЫ Наноалмазы во фракции асфальтенов мексиканской природной нефти Energy & Fuels 2004, 18, 390 -395

НАНОАЛМАЗЫ Строение частицы Детонационные ( 200 Å = 20 нм ) наноалмаза наноалмазы (фото с сайта http: //abba. com. tw)

НАНОАЛМАЗЫ в лечении рака Схемы электростатического удерживания молекул лекарства частицами наноалмаза Взаимодействие модифицированных частиц наноалмаза (зеленые) с раковыми клетками мыши (коричневые). (Изображение в флуоресцентном микроскопе)

ФУЛЛЕРЕН Более 500 лет назад Леонардо да Винчи (1452 -1519) иллюстрировал книгу своего современника, францисканского монаха и математика Луки Пачоли (1445 -1514) «Божественная пропорция» ( «De Devina Proportione» ), изданную в 1509 г. Одна из иллюстраций – изображение усеченного икосаэдра, символа водной стихии.

ФУЛЛЕРЕН обнаружен осенью 1985 г.

ФУЛЛЕРЕН 1984 г. Кластеры с магическими четными числами атомов углерода 36 < n < 150 – фуллерены !!? E. A. Rohlfing, D. M. Cox, A. Kaldor, J. Chem. Phys. 81, 3322 (1984).

ФУЛЛЕРЕН Сентябрь 1985, Rice University, R. Smalley

ФУЛЛЕРЕН Нобелевская Премия 1996 г. Роберт Кёрл, Гарольд Крото, Ричард Смолли

ФУЛЛЕРЕН - термин С 60 – БАКМИНСТЕРФУЛЛЕРЕН (1985 г. ) ЭКСПО-67, Монреаль «Геодезический купол» Архитектор Бакминстер Фуллер

Типы ФУЛЛЕРЕНОВ

Кристаллические материалы из ФУЛЛЕРЕНОВ ГЦК структура с постоянной решетки 1, 417 нм Расстояние C 60 -C 60 – 1, 002 нм Нековалентные связи

Промышленное производство ФУЛЛЕРЕНОВ Испарение графита в электрической угольной дуге в атмосфере гелия при пониженном давлении Фуллерены C 60 и C 70 выделяют из сконденсированных паров путём экстракции бензолом.

Промышленное производство ФУЛЛЕРЕНОВ ( путем сжигания толуола )

ФУЛЛЕРЕНОВЫЕ «луковицы»

ФУЛЛЕРЕНЫ в природных нефтях В природных битумах концентрация фуллеренов C 60 не более 0, 2 -0, 3 ппм МОЛЕКУЛЫ АСФАЛЬТЕНОВ

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ обнаружены в 1991 г. Японский ученый Профессор Sumio Iijima

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ в природной мексиканской нефти

Промышленное производство УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Плазменный реактор компании SINTEF в Норвегии и его продукция

МОЛЕКУЛЯРНОЕ СОВЕРШЕНСТВО УГЛЕРОДНЫХ НАНООБЪЕКТОВ: Идеальная структура фуллеренов и нанотрубок • Электропроводность меди. • Теплопроводность алмаза. • Химия углерода. • Самое прочное волокно, которое когда-либо будет создано.

Применения УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Нанотранзистор Зонд АСМ

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ

В 2011 г. специалисты из Rice University изготовили проводящий кабель из углеродных нанотрубок, легированных атомами йода Электропроводность кабеля – такая же, как у обычных металлических проводов, а масса – в 6 раз меньше.

Гибкий материал из углеродных нанотрубок, сохраняющий пластические свойства в диапазоне температур более 1000 градусов 1 мм Самый большой в мире кусок ткани из углеродных нанотрубок ( 2008 г. , Nanocomp Technologies )

Первые образцы ГРАФЕНА выделены в 2004 г. C 62 H 20 A. Geim (Англия) К. Новоселов (Россия)

ЗА ОТКРЫТИЕ ГРАФЕНОВ В 2010 Г. ПРИСУЖДЕНА НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ

ГРАФЕНЫ – предшественники фуллеренов и углеродных нанотрубок

Возможные применения графеновых покрытий в наноэлектронике

Вычислительные устройства на основе графена имеют большее быстродействие и не требуют высоких затрат на охлаждение

Графеновые «нанороботы» для нефтяных месторождений

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУР В РЕЗУЛЬТАТЕ САМООРГАНИЗАЦИИ ЧАСТИЦ НАНОУГЛЕРОДА ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ ( Ассоциативные наноколлоиды наноуглерода )

Самоорганизация диамондоидов в структуры типа «хозяин-гость» и в цепочечные структуры G. Ali Mansoori Advances in Chemical Physics Vol. 136, pp. 207 -258, 2007

Формирование наноструктур частицами наноалмаза

С 60 в различных растворителях

Формирование наноструктур фуллеренами Микрокристаллы Нанокристалл фуллерита фуллеренов (изображение в СЭМ ) (фуллерит)

Наноагрегаты ( «связки» ), образующиеся при самоассоциации углеродных нанотрубок.

Формирование наноструктур графенами Схемы образования наноагрегатов графена по механизму стэкинга Формирование нановолокон путем стэкинга частиц графена (изображение в СЭМ)

КОНЕЦ ЛЕКЦИИ