Презентация МИОО лекция 2-а

МИОО МПГУ Учебно-научный центр функциональных и наноматериалов Методика формирования представлений учащихся о нанотехнологиях в общеобразовательной школе

ЛЕКЦИЯ 2 а ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

ФУЛЛЕРЕНЫ И УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ Фуллерены и углеродные нанотрубки представляют собой одну из аллотропных форм углерода в виде своеобразных «каркасных» , полых структур. Их свойства и возможности использования настолько разнообразны и перспективны, что по этой тематике ежегодно публикуется более тысячи научных статей и обзоров.

Аллотропные формы углерода: алмаз, карбин и графит

История фуллеренов В начале семидесятых годов ХХ века японский физико-химик Е. Осава высказал предположение о возможности существования четвертой аллотропной формы углерода в виде своеобразной полой супермолекулы, С 60 , состоящей из 60 атомов углерода и со структурой в виде усеченного икосаедра, близкой к сферической. В 1973 году русские ученые Д. А. Бочвар и Е. Г. Гальперин провели квантово-механический расчет стабильности С 60 и доказали возможность ее существования.

Структура некоторых фуллеренов: a ) C 60 , b ) C 70 , c ) C 80 , d ) купол павильона Б. Фуллера

Ричард Бакминстер Фуллер (1895-1983 гг. ) – американский инженер, архитектор, философ и поэт. Исходя из материальных и энергетических проблем человечества, разработал т. н. геодезический купол – стержневую пространственную металлоконструкцию, которая стала одной из крупнейших конструктивных новаций 20 в.

Американский павильон на Всемирной выставке в Монреале

Купол Южного полюса Б. Фуллера

Букминстер Фуллер, «В сесторонний человек» Особо я убеждал их учиться всему тому, что можно взять у химии, так как я чувствую, что химия есть основная структура и, следовательно, — архитектура

На фотографии Гарольд Крото В 1996 году Гарольд Крото, Ричард Смолли и Роберт Керл получили Нобелевскую премию по химии за открытие и изучение фуллеренов

Нобелевские лауреаты 1996 г. по химии (вверху Г. Крото и Р. Смолли, внизу Р. Керл)

Производные фуллеренов Фуллерены могут образовывать молекулярный кристалл, фуллерит , в котором между отдельными фуллеренами существуют слабое ван-дер-ваальсово притяжение. Поэтому фуллерит аналогичен кристаллу из атомов инертных газов (аргона, неона), с числом ближайших соседей равным 12. Кристалл фуллерита имеет плотность 1, 7 г/см 3 , что значительно меньше плотности графита (2, 3 г/см 3 ) и алмаза (3, 5 г/ см 3 ). Синтезированы допированные кристаллы фуллеренов — фуллериды

ГИПЕРАЛМАЗ В научно-техническом центре «Сверхтвердые материалы» (НТЦ СТМ, г. Троицк) в 1993 г. созданы фуллериты, твердость которых сопоставима с твердостью алмаза (6-16 тысяч кгс/мм 2), а у некоторых даже выше (16-30 тысяч кгс/мм 2). Модуль их объемного сжатия доходит до 1300 ГПа, существенно превышая эту характеристику алмаза (445 ГПа). Гипералмаз — продукт объемной полимеризации сферических углеродных молекул фуллеренов С 60 и С 70 при давлении свыше 90 тысяч атмосфер и температуре более 300 о С.

Недавно получены пленки полифуллерена, в которых молекулы С 60 связаны между собой не ван-дер-ваальсовским, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием. Эти плёнки, обладающие пластическими свойствами, являются новым типом полимерного материала

Фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различной структурой и физико-химическими свойствами. В последние годы появился даже термин «химия фуллеренов» , определяющий новое направление в органической химии. Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью , они работают в химических реакциях как сильные окислители.

Применения фуллеренов • Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) при определенных условиях резко снижают прозрачность. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов- ограничителей интенсивности лазерного излучения, защиты глаз или чувствительных датчиков от облучения. • Фуллерены перспективны в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации, в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала, для создания катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, в качестве красителей для копировальных машин. Они применяются для получения металлов и сплавов с новыми свойствами.

Применения фуллеренов (продолжение) Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства сверхконденсаторов – устройств, выдающих за короткое время большое количество энергии, что важно, например. для транспортных средств. Принцип их действия основан на реакции присоединения водорода, но, в отличие от широко распространенных никелевых аккумуляторов, они благодаря большой площади поверхности способны запасать примерно в пять раз больше водорода. По сравнению с аккумуляторами на основе лития такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью. Они должны найти применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Углеродные нанотрубки были впервые синтезированы в 1991 году Сумо Иджима. В отличие от других исследователей, он изучил под электронным микроскопом осадок, образовавшийся при распылении графита в электрической дуге не на стенках камеры, а на катоде, и обнаружил однослойные и многослойные «трубочки» длиной в несколько микрон и диаметром несколько нм.

Три углеродные нанотрубки с разным «узором» (хиральностью) и модель капсида (головки бактериофага), с гексагональной структурой протеиновых элементов

«Сворачивание» листа графита в углеродную нанотрубку

Рост параллельных УНТ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ УНТ

Нанодиод на углеродной нанотрубке (АСМ)

СХЕМА И ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИОДА НА УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКЕ

Еще один диод на двух одностенных УНТ (одна допирована) [PNG]

Использование эмиссионных свойств УНТ Горячие эмиттеры современных электронно-лучевых трубок требуют опасных напряжений 20-30 к. В. Нанотрубки при комнатной температуре и напряжении всего 500 В создают ток такой же плотности, как стандартный вольфрамовый катод при 1000 0 С. К тому же они не содержат экологически вредных металлов. Холодные эмиттеры на нанотрубках – основной элемент плоских телевизоров будущего, портативных источников рентгеновского излучения, СВЧ-излучения и пр.

Цветной дисплей на углеродных нанотрубках фирмы Samsung [PNG]

Y -образная трубка в роли транзистора

Интегральная схема, созданная на единичной УНТ (слева она на фоне человеческого волоса)

УНИКАЛЬНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УНТ проявляют высокую жесткость на изгиб и вместе с тем большую гибкость. После сгибания на 90о они могут полностью восстанавливать свою форму. Их прочность в 60-100 раза выше, чем прочность хорошей стали, при этом они в силу своей «ажурности» раз в 6 легче.

Датчик давления

Использование УНТ в качестве наполнителя полимерного нанокомпозита [PNG]

Велосипед (создан для гонок Тур де Франс). Вес 1 к. Г. Композиционный материал с наполнителем из углеродных нанотрубок

Космический лифт Идея высказана еще К. Э. Циолковским и разработана в 60-х годах ХХ века ленинградским инженером Ю. Н. Арцютановым; является темой фантастического романа Артура Кларка «Фонтаны рая» . Космический лифт рассматривается как способ радикального уменьшения стоимости космической транспортировки. Он должен связать плавучую платформу (предположительно на Мальдивском архипелаге в Индийском океане) и спутник на геостационарной орбите, висящий неподвижно над данной точкой на Земле на высоте примерно 36 тысяч километров.

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ

Космический лифт Космолифтостроительная компания Lift. Port Group ( http : // liftport. com / gcimages. php ) называет сроки постройки космического лифта около 2020 года.

Нанотрубки и фуллерены как контейнеры Более трети элементов периодической таблицы Менделеева могут быть «гостем» фуллеренов (эндоэдральные фуллерены). Нанотрубки защищают атомы металла внутри от окисления, в них можно вводить лекарства, радиоактивные вещества и пр. Японский патент предлагает использование фуллеренов для хранения водородного топлива.

«Горошины в стручке» (пиподы) — фуллерены в углеродной нанотрубке

Другие нанотрубки и фуллерены Кроме углеродных , созданы и исследуются фуллереноподобные наночастицы и нанотрубки нитрида бора, карбида кремния, карбида бора и других соединений, содержащих бор, молибден, ниобий, азот, углерод и обладающие своеобразными свойствами и перспективами использования. Предсказано существование фуллеренов из атомов бора

Компьютерные модели: многослойной углеродной нанотрубки с нанопроволокой внутри и нанотрубки нитрида бора

Вода (желтые и красные атомы) в одностенной УНТ [PNG]

Фуллерен из бора

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК (ПАТЕНТЫ) [1]

УНТ и фуллерены используются в сочетании с живыми клетками, как детали наномоторов Углеродные нанотрубки определяют структуру растущих колоний нейронов

Первый электромеханический двигатель (ротор состоит из двух УНТ

Наноавтомобиль на поверхности золота (колесики- фуллерены вращаются) «Наноавтомобиль» на поверхности золота

Конец лекции ЛИТЕРАТУРА 1. П. Харрис, Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI, М. , Техносфера, 2003 г. , 336 стр. 2. Р. Б. Хайманн, С. Е. Евсюков, Аллотропия углерода, Природа № 8, 2003 г. (см. также соответствующий сайт в INTERNET ) 3. П. Н. Дьячков, Углеродные нанотрубки. Материалы для компьютеров ХХ 1 века, Природа, № 11, 2000 г. , стр. 23-30. ( См. также INTERNET) 4. А. В. Елецкий, Перспективы применения углеродных нанотрубок, журнал «Российские нанотехнологии» , 2007 г. , т. 2, №№ 5-6, стр. 6-

КОНЕЦ 2-а ЛЕКЦИИ