Fullerene și nanotuburi de carbon. Proprietăți și aplicații
Baza moleculei fulerenei este un carbon - Acest element chimic unic, în care capacitatea de a comunica cu cele mai multe elemente pentru a forma o moleculă de compoziție și structură diferită. De la cursul de chimie pentru școală va fi, desigur, este cunoscut faptul că de carbon are două principale grafice de stat alotropic și diamant. Acum, cu descoperirea de fullerene, putem spune, forme alotropice de carbon a cumpărat un alt stat.
Pentru a începe, ia în considerare structura moleculelor de grafit, diamant și fulerenei.
Grafitul are o structură strat (Figura 8). Fiecare fibră este compus din atomi de carbon legați covalent între ele în hexagoane regulate.
Fig. Structura 8. Grafit
straturile adiacente sunt ținute împreună de slabe van der Waals. Prin urmare, ele alunecă ușor unul peste altul. Un exemplu în acest sens poate servi ca un creion-atunci când simplu cheltuiți tije din grafit pentru straturile de hârtie sunt treptat „desprinsă“ de la un altul, lăsând o urmă.
Diamond are o structură tetraedrică tridimensională (Figura 9). Fiecare atom de carbon este legat covalent la alte patru. Toți atomii din rețeaua cristalină sunt dispuse la o distanță egală (154 nm), unul față de celălalt. Fiecare dintre ele este asociat cu alte legături covalente directe, pentru a forma în cristal, indiferent de mărimea este, o macromoleculă gigant
Fig. Structura 9. diamant
Datorită energiei ridicate de legături covalente C-C, diamant are cea mai mare concentrație și este folosit nu numai ca o piatră prețioasă, dar, de asemenea, ca materii prime pentru fabricarea de tăiere și șlefuire instrumente (eventual cititori auzit despre diamant prelucrare diferite metale)
Fullerene au primit numele în onoarea arhitectului Buckminster Fuller, care a inventat astfel de structuri pentru a fi utilizate în clădirea arhitecturală (care este motivul pentru care sunt numite buckyballs). Fullerene are o structură carcasă, foarte minge de fotbal care amintește constând din „patch-uri“ 5-și 6-pentagonală forma. Dacă ne imaginăm că atomii de carbon sunt situate la nodurile poliedrului, obținem C60 fulerenei cel mai stabil. (Fig. 10)
Fig. 10. Structura C 60 Fulerena
Molecula C60, care este cel mai cunoscut și cel mai simetric familie reprezentativă fullerene, numărul de hexagoane este 20. În plus, fiecare frontiere pentagon numai hexagoane și fiecare hexagon are trei laturi comune cu hexagoane și trei pentagoane c.
Structura moleculelor fullerene este interesant că în interiorul astfel de „bilă“ carbon format o cavitate în care poate intra atomii și moleculele altor substanțe datorită proprietăților capilare, care dă, de exemplu, posibilitatea de transport în condiții de siguranță.
Așa cum au fost sintetizate și studiate moleculele lor care conțin un număr diferit de atomi de carbon, de la 36 la 540. studii de fullerene (Fig. 11)
Fig. 11. o structură fullerene) 36 b) 96 c) 540
Nanotrubka- o molecula de mai mult de un milion de atomi de carbon, care este un tub cu un diametru de aproximativ câteva nanometri si lungimi de zeci de microni. Atomii pereții tubului de carbon situate la nodurile hexagoane regulate.
Fig. 13, o structură de nanotub de carbon.
a) vedere generală a nanotub
b) nanotub rupte la un capăt
Structura nanotuburi pot fi vizualizate după cum urmează: să ia avionul de grafit, se taie o fâșie din ea și „lipici“ l într-un cilindru (de fapt, desigur, nanotuburi cresc foarte diferit). S-ar părea că ar putea fi mai ușor - să ia un avion de grafit și rotiți cilindrul! - dar înainte de descoperirea experimentală a nanotuburilor una dintre teoreticienii nu a prezis. Așa că oamenii de știință ei și e de mirare puteau doar să studieze.
Dar ceea ce a fost surprinzator - dupa ce toate aceste nanotuburi uimitoare 100 de mii.
ori mai subtire decat un fir de păr uman au apărut un material extrem de durabil. Nanotuburile sunt de 50-100 de ori mai puternic decât oțelul și au de șase ori mai puțin dens! modulul lui Young - nivelul rezistenței de deformare a materialului - nanotuburi de două ori mai mare decât cea a fibrelor de carbon convenționale. Adică, tubul nu este numai robust, dar, de asemenea, flexibil, și se aseamănă în comportamentul lor nu este paie fragil, și tub de cauciuc dur. Sub influența stresului mecanic care depășește nanotuburi critice se comporta destul de extravagante: ei nu „graba“, nu „rupt“, ci pur și simplu rearanjate!
În prezent, lungimea maximă a nanotuburilor în zeci și sute de microni - care, desigur, o foarte mare pe scara atomica, dar este prea mic pentru utilizarea de zi cu zi. Cu toate acestea, lungimea nanotuburilor produse a crescut-acum, treptat, oamenii de știință au ajuns aproape de piatra de hotar centimetru. Se obține Nanotuburile multistrat de 4 mm.
Nanotuburile vin în diferite forme: un singur strat și multi-strat, drepte și în spirală. Mai mult, ele prezintă o serie de proprietăți electrice, magnetice și optice neașteptate.
De exemplu, în funcție de planul de grafit circuit special de pliere (chiralitate), nanotuburile pot fi fie conductori, semiconductori și electricitate. Proprietățile electronice ale nanotuburilor pot fi modificate selectiv prin introducerea în tuburile altor atomi substanțe.
Vidul din interiorul fullerene și nanotuburi au atras de mult atenția
oameni de știință. Experimentele au arătat că, dacă atomul din interiorul Fulerena introduce orice substanță (acest proces este cunoscut sub numele de „intercalare“, adică „punerea în aplicare“), se poate modifica proprietățile sale electrice și chiar transforma izolator într-un supraconductor!
Și dacă da, aveți posibilitatea să modificați, de asemenea, proprietatile nanotuburilor? Se pare, da. Oamenii de știință au fost în măsură să pună în întregul lanț de nanotuburi cu fullerene deja încorporate în masa lor atomi de gadoliniu. Proprietățile electrice ale unei astfel de structuri neobișnuite au fost mult diferite asupra proprietăților unui nanotub simplu, gol în interior și proprietățile nanotuburilor în interiorul fullerene goale. Este interesant de notat faptul că denumirea chimică specifică concepute pentru astfel de compuși. Structura descrisă mai sus este scris ca Gd @ C60 @ SWNT, ceea ce înseamnă „Gd C60 interior în interiorul unui singur perete nanotub (Single Wall Nanotubul)“.
Fire pentru macrodevices nanotuburilor pe baza poate trece un curent substanțial fără izolarea termică și curent poate ajunge la vastul importante - Iulie 10 A / cm2. conductor clasic la astfel de valori ar fi vaporizat instantaneu.
Un alt exemplu - utilizarea ca nanotub vârful unui microscop de scanare. De obicei un astfel de sfat este un ac de tungsten ascuțită, dar pe standarde atomice astfel de ascuțire încă destul de dur. Nanotub acul reprezinta un diametru ideal de ordinul mai multor atomi. Prin aplicarea unei anumite tensiune, este posibil pentru a ridica întregul atomii și moleculele de pe substrat direct sub ac, și transferarea lor din loc în loc.
Proprietățile electrice neobișnuite ale nanotuburilor-le una dintre principalele materiale din nanoelectronica fac. Pe baza acestora sunt realizate prototipuri de noi elemente pentru calculatoare. Aceste elemente oferă dispozitive de reducere în comparație cu siliciu este de mai multe comenzi. Problema se discută în mod activ cu privire la direcția în care dezvoltarea electronicii după posibilitatea miniaturizarea în continuare a circuitelor electronice bazate pe semiconductori tradiționale va sunt complet epuizate (acest lucru se poate întâmpla în următorii 5-6 ani). Iar nanotub este dat lider de necontestat în rândul potențialilor candidați pentru un loc de siliciu.
O altă utilizare a nanotuburilor în nanoelectronica - crearea heterostructures semiconductoare, adică structuri, cum ar fi „metal / semiconductor“ sau intersecția a două semiconductori diferite (nanotransistors).
Acum, pentru fabricarea unor astfel de structuri nu va trebui să crească două materiale separat și apoi „sudură“ le împreună. Tot ceea ce este necesar este în procesul de creștere nanotub de a crea în ea un defect structural (adică, să înlocuiască unul dintre hexagoane de carbon pentagonoidă) tocmai a izbucnit în mijlocul drumul său special. Apoi, unul dintre nanotuburi vor avea proprietăți metalice și alte semiconductori -Properties!