Luarea în considerare a fullerenelor și nanotuburilor este imposibilă dacă nu înțelegem natura acestor fenomene. În primul rând, să luăm în considerare compoziția fullerenelor și nanotuburilor.
Carbonul este un element chimic, simbolul C, numărul atomic 6, masa atomică 12.011. Formele uzuale de existență a carbonului în stare liberă sunt diamantul și grafitul, se găsesc în natură. Principalele diferențe în structura diamantului și a grafitului sunt zăbrelele de cristal.
Un diamant. Structura rețelei cristaline este prezentată în Fig. 1.
Celula elementară a unui cristal de diamant este un tetraedru, în centru și patru vârfuri ale căror atomi de carbon sunt. Atomii situați la vârfurile tetraedrului formează centrul unui nou tetraedru și sunt, prin urmare, înconjurați de alți patru atomi etc. Numărul de coordonare a carbonului din latura diamantului este, prin urmare, de patru. Toți atomii de carbon din rețeaua de cristal sunt localizați la aceeași distanță (154 pm) una de cealaltă. Fiecare dintre ele este legată de alte legături covalente nepolar și formează o singură moleculă gigantică într-un cristal, indiferent cât de mare este.
Grafit. Structura rețelei de cristal de grafit este prezentată în Fig. 2. Cristalele de grafit sunt construite din planuri paralele unul cu celălalt, în care atomii de carbon sunt localizați la colțurile hexagonilor obișnuiți. Distanța dintre atomii de carbon vecini (partea fiecărui hexagon) este de 143 pm, între planurile adiacente este de 335 pm. Fiecare plan intermediar este oarecum deplasat față de planurile vecine, așa cum se poate vedea în figură. Fiecare atom de carbon este conectat cu trei legături covalente nepolar vecine în planuri. Fiecare atom de carbon în rețeaua atomică a grafitului este asociat cu trei atomi de carbon vecine, trei sp 2 -SP 2 comun perechi de electroni, aranjate în conformitate cu sp 2 - hibridizare la unghiuri de 120 de grade, adică, la fiecare patru atomi de carbon interconectate .. în grafit sunt situate în centrul și vârfurile unui triunghi echilateral. electroni de valență patra ale fiecărui atom situat între planurile și se comportă ca electronii din metal, deci conductivitatea electrică în direcția avioanelor de grafit. Legătură între atomii de carbon situate în plane adiacente sunt foarte slabe (intermoleculară sau van der Waals), deși parțial datorită prezenței electronilor de conducție, similar cu metalul. În legătură cu astfel de caracteristici, cristalele de grafit sunt ușor stratificate în fulgi individuali chiar și la sarcini mici.
Capacitatea unică a atomilor de carbon de a se uni pentru a forma lanțuri puternice și lungi și cicluri a dus la apariția unui număr uriaș de compuși diferiți de carbon, studiați prin chimie organică.
Conductivitatea termică a grafitului, măsurată în direcția planului straturilor, este de cinci ori mai mare decât conductivitatea termică măsurată în direcția transversală; conductivitatea electrică în direcția plană este de zece mii de ori mai mare decât conductivitatea în direcția transversală.
E atom confi-gurație carbon este: 1s 2 2s 2 2p 2. De aceea, patru electroni exterioare nu sunt aceleași - ele corespund diferitelor orbitali; doi electroni nu sunt împerecheați. În starea legată (valență) unuia 2s electroni procedează pe p-orbital (acest lucru ar necesita aproximativ 96 kcal / mol), astfel încât starea atomului poate fi exprimat: 1s 2s 2p 2 3. Ca rezultat obținem un atom cu unul și trei 2p 2s-electron: 2s2px2py2pz.
Există mai multe tipuri de hibridizare: sp, sp 2 și sp 3
În hibridizarea tipului sp, orbitele atomice s și p sunt amestecate. În acest caz, orbitele, de exemplu, py și pz nu se schimbă, iar orbitele px și s dau un formular hibrid. Deoarece funcția hibrid poate avea forma s + p sau s-p, se produc două orbite, diametral opuse una față de cealaltă (figura 3a).
Dacă proish-dit hibridizarea s și două p-funcții, cum ar fi Px și py (pz rămâne neschimbat), a produs trei VASTE orbitali trigonala tip atom sp 2. Aceste orbitali din schema au un tip Cloverleaf (Fig. 3b). Acest tip de orbite hibride sa dovedit a fi foarte important pentru descrierea dublurilor obligațiuni.
În hibridizarea tipului sp 3, toate orbitele atomice s și p sunt amestecate. În acest caz, toate orbitele dau o formă hibridă. Obletele orbite au o direcționalitate distinctă: orbitele atomului de carbon sunt îndreptate spre colțurile tetraedrului, în centrul căruia este localizat atomul de carbon. Schematic, câștigul directivității - orientarea norului de electroni - este prezentat în figura 3c. Evident, aceasta este o consecință a slăbicirii unor părți ale orbitalilor atomici cu semne diferite și consolidarea unor părți ale orbitalilor atomici care au aceleași semne.
Prepararea nanotuburilor. Metoda cea mai răspândită pentru producerea de nanotuburi de carbon folosind pulverizarea termică de grafit plasma electrod arc de descărcare de ardere în atmosferă El. Această metodă, care este, de asemenea, în baza celor mai eficiente tehnologii de producere de fullerene, permite obținerea nanotuburilor într-o cantitate suficientă pentru investigarea detaliată a proprietăților lor fizico-mecanice. Deversarea arc de curent continuu cu electrozi de grafit, la o tensiune de 15 - 20 de V, un curent de câteva zeci de amperi distanță interelectrodic de câțiva milimetri și o presiune El de mai multe sute torr este sputtering termică intensă a materialului anodului. Produsele de pulverizare conțin, împreună cu particulele de grafit, de asemenea, unele fullerene sunt depuse pe pereții răciți ai camerei de evacuare și pe suprafața catodului, răcitorul în comparație cu anod. Având în vedere aceste granule cu catod cu un microscop electronic detectat că acesta conține tub cilindric alungit câțiva nanometri mai lung decât un micron în diametru a cărui suprafețe sunt formate din straturi de grafit. Tuburile au vârfuri tip cupola care conțin șase și cinci pentagoane, cum ar fi moleculele fullerene.
După cum s-a menționat mai sus, grafitul structural din care sunt obținute constă doar din hexagoane. Să analizăm acum întrebarea de unde apar pentagoanele în compoziția acestor nanostructuri. Pentru a face acest lucru, este necesar să se întoarcă la una din teoriile topologiei, care oferă un răspuns la întrebarea: ce cifre pot fi folosite pentru a "acoperi" sfera, tubul sigilat și nu sigilat. Acum dăm o dovadă a acestei teoreme și a unora dintre corolarul ei.
Fie ca un grafic G conectat având vârfurile B și marginile B să fie desenat pe sferă (sau o suprafață homeomorfă) și împărțiți sfera în domeniile Γ (fețe); atunci egalitatea B-P + F = 2 (1). Aceasta este teorema lui Euler.
Înainte de a demonstra această teoremă, merită să ne amintim câteva definiții.
Un grafic finit G este o cifră constând dintr-un număr finit de arce. Există un număr finit de vârfuri în el și unele dintre aceste puncte sunt conectate prin arce disjuncte (marginile graficului). Un grafic conectat este un grafic, ale cărui două vârfuri pot fi îmbinate printr-o curbă care trece de-a lungul marginilor graficului.
Un contur într-un grafic este un lanț închis de muchii a cărui uniune este o linie homeomorfă unui cerc.
Un arbore este un grafic conectat care nu conține un singur contur.
Indicele unui punct este numărul de arce convergente la un anumit punct.
De asemenea, trebuie să dovedim următoarea teoremă:
Pentru orice arbore cu vârfuri B și margini,
Pentru dovada efectuăm inducția pe numărul de margini P. Pentru P = 1 (arborele are o margine și două vârfuri), relația (2) este validă. Să presupunem că pentru oricare arbore cu n noduri, relația (2) a fost deja dovedită și G este un arbore cu n + 1 margini. Deoarece graficul G este conectat, el poate fi obținut de la un anumit grafic G 'conectat prin adăugarea unei margini r.
Într-adevăr, orice grafic conectat poate fi obținută după cum urmează: luăm o margine, apoi i se alătură o altă margine, astfel încât pentru a obține re-conectat grafic, apoi se alătură o altă muchie (pentru a obține graficul re-conectat), etc. Acest lucru este posibil dacă îl puteți trage într-o singură lovitură. Și acest lucru, la rândul său, este posibil, dacă permiteți "trecerea" fiecărei margini exact de două ori.