Фуллерены и нанотрубки | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 1 февраля, печатный экземпляр отправим 5 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Рубрика: Химия

Опубликовано в Юный учёный №4 (13) октябрь 2017 г.

Дата публикации: 13.06.2017

Статья просмотрена: 147 раз

Библиографическое описание:

Балуева К. Н., Петухова О. А. Фуллерены и нанотрубки // Юный ученый. — 2017. — №4. — С. 44-46. — URL https://moluch.ru/young/archive/13/987/ (дата обращения: 19.01.2020).



 

Фуллерен — это сравнительно недавно открытая материальная частица с размером около трети нанометра. Несмотря на недавние открытие фуллеренов, фуллерены активно используются в промышленности. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами.

Фуллерен — это молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен по существу является новой формой углерода. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) — это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом. Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур.

В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста, алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

Цель исследования: изучить строение С60 и аллотропных форм углеводородов.

В связи с поставленной целью определяются следующие задачи:

–                    описать строение С60 и С70 (построить их модели в бумажном виде);

–                    сравнить химические и физические свойства фуллеренов, однослойных и многослойных нанотрубок.

В 1973 г. ученые Д. А. Бочвар и Е. Н. Гальперн опубликовали результаты квантово-химических расчетов, из которых следовало, что в природе должна существовать устойчивая форма углерода, содержащая в молекуле 60 углеродных атомов и при этом не имеющая никаких заместителей. Выводы Д. А. Бочвара и Е. Н. Гальперина казались совершенно фантастическими, поэтому не были признаны в научном мире. Большинство ученых отказывалось представить существование данной молекулы и тем более — взяться за ее получение. Теоретическая работа Д. А. Бочвара и Е. Н. Гальперна опередила свое время и могла быть забыта, если бы в 1980-х гг. в результате астрофизических исследований спектров отдельных звезд, так называемых «красных гигантов», не были бы обнаружены полосы, которые указывали на существование чисто углеродных молекул различного размера.

В 1985 г. Г.Крото и Р.Смолли начали изучать масс-спектры паров графита, полученных под ударом лазерного пучка, и обнаружили, что в спектрах есть два сигнала, интенсивность которых намного выше, чем всех остальных. Сигналы соответствовали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов — С60 и С70. Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы, однако этого оказалось достаточно, чтобы фантазия ученых заработала. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Д. А. Бочваром. Название «фуллерен» было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, который проектировал ажурные куполообразные конструкции из сочетаний пяти- и шестиугольников.

С давних пор известны такие формы углерода, как графит и алмаз. Графит, и алмаз — это один и тот же химический элемент — углерод (С). Отличаются графит и алмаз расположением атомов углерода в кристаллической решетке. В 1967 году в Институте элементоорганических соединений СССР была синтезирована третья форма углерода — карбин, состоящая из линейных, палочкоообразных молекул углерода. Это три структуры бесконечной протяженности имеют различное строение: сетчатое (алмаз), слоистое (графит) и линейное (карбин).

Фуллерен в отличие от известных трех форм углерода растворим в органических растворителях (бензол, гексан, сероуглерод). Из растворов фуллерен кристаллизуется в виде мелких темно-коричневых кристаллов. Увидеть молекулу фуллерена удалось только после того, как был получен хорошо кристаллизующийся продукт взаимодействия фуллерена с тетраоксидом осмия OsO4.

1)                 Фуллерен гидрируется до С60Н36.

2)                 Галогенируется подобно олефинам.

3)                 Продукты галогенирования легко вступают в реакции нуклеофильного замещения.

4)                 При окислении кислородом образуется оксид фуллерена.

5)                 Фуллерен арилируется в присутствии AlCl3.

Фуллерены активно используются в создании новых конструкционных материалов (тканых, радиозащитных и термомодифицированных материалов электродов для химических источников тока; материалов дифракционных ветвителей в волоконно-оптических сетях; материалов эффективного диализа применительно к сильнодействующим ядовитым веществам в полевых условиях).

Нанотрубка — это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Углеродные нанотрубки образуются при термическом распылении графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия.

Структуру нанотрубок можно представить так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (на самом деле нанотрубки растут по-другому). Несмотря на то, что эти удивительные нанотрубки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса, они являются крайне прочным материалом. Так нанотрубки в 50–100 раз прочнее стали и при этом имеют в шесть раз меньшую плотность.

Уровень сопротивления материала деформации у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон, т. е. трубки при высокой прочности еще и достаточно гибкие, напоминая жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не «рвутся» и не «ломаются», они только перестраиваются.

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок давно привлекали внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества (этот процесс носит название «интеркаляция», т. е. «внедрение»), то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник. Таким же образом можно изменить свойства нанотрубок, ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Для таких соединений разработаны специальные химические обозначения.

 

Литература:

 

  1.                Блюменфельд Л. А., Тихонов А. Н. Электронный парамагнитный резонанс // СОЖ, № 9, 1997, стр. 91–99.
  2.                Лозовик Ю. Е., А. М. Попов Образование и рост углеродных наноструктур -фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов // УФН. 1997. Т.167. № 7.
  3.                Микушев В. М. Ядерный магнитный резонанс в твердом теле6 Учеб. пособие для вузов по напр. «Физика» и спец. «Физика твердого тела» / В. М. Микушев, Е. В. Чарная. — СПбГТИ (ТУ) — СПб, 1995. — 201 с.
  4.                Герасимов В. И. Изомеры фуллеренов // Физика и механика материалов. 2000. № 1. — С.25–31.
  5.                Золотухин И. В. Фуллерит — новая форма углерода // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 2. — С. 51–56.
  6.                Костиков Р. Р. Принципы органического синтеза // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 1.
Основные термины (генерируются автоматически): форма углерода, атом углерода, нанотрубка, молекула, графит, свойство.


Похожие статьи

Изучение темы “Углерод и его свойства” при помощи...

В настоящее время в связи с использованием в процессе обучения интерактивных методов (педагогика инновационных и информационных технологий) изо дня в день усиливается интерес и внимание к повышению качества обучения.

Исследование электрических свойств композитного углеродного...

Уникальные свойства углеродных волокон определяют основные характеристики КМ [6]. Они состоят из тонких нитей диаметром от (5–15)×10–5 м, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микрокристаллы, расположенные параллельно друг...

Проблемы, возникающие при изучении структуры и свойств...

В работе проведен обзор некоторых проблем, возникающих при изучении структуры и свойств поверхности углеродных материалов. Рассмотрена возможность применения индикаторного метода для определения количества кислотно-основных центров и их распределения на...

Графен как материал для теплоотводов нового поколения

Графит, и алмаз — это один и тот же химический элемент — углерод (С). Отличаются графит и алмаз расположением атомов углерода в кристаллической решетке. Таким же образом можно изменить свойства нанотрубок, ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку...

Системы с приставкой «нано»: трубки, волокна, мембраны

Нанотрубки — это аллотропная модификация углерода. Чтобы представить себе их строение, обратимся к самой устойчивой форме углеродаграфиту. Его кристаллическая решетка состоит из отдельных плоских слоев, образованных правильными шестиугольниками.

Разработка урока по теме «Циклоалканы» | Статья в журнале...

Цель: Изучить строение, состав, физические свойства и тип гибридизации электронных облаков атома углерода в циклопропане.

3. Напишите структурную формулу циклопропана и укажите связи в молекуле, определите тип гибридизации атома углерода, валентный угол...

О критической температуре сверхпроводящего фуллерена С28

В определенных условиях молекулы С28 имеют свойство упорядочиваться в пространстве, они располагаются в узлах кристаллической решетки, иными словами

Чтобы молекулы С28 систематично разместились в пространстве, как и их атомы, они должны связаться между собой.

Селективная функционализация технического углерода...

Окисление технического углерода необходимо для повышения его взаимодействия с компонентами композиционных материалов, улучшения смачивания поверхности и придания функциональных свойств композитам. Известно, что степень окисленности технического...

Исследование возможности применения модификаторов на основе...

Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокими механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитных материалов. Они имеют свободные химические связи; поэтому – могут...

Похожие статьи

Изучение темы “Углерод и его свойства” при помощи...

В настоящее время в связи с использованием в процессе обучения интерактивных методов (педагогика инновационных и информационных технологий) изо дня в день усиливается интерес и внимание к повышению качества обучения.

Исследование электрических свойств композитного углеродного...

Уникальные свойства углеродных волокон определяют основные характеристики КМ [6]. Они состоят из тонких нитей диаметром от (5–15)×10–5 м, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микрокристаллы, расположенные параллельно друг...

Проблемы, возникающие при изучении структуры и свойств...

В работе проведен обзор некоторых проблем, возникающих при изучении структуры и свойств поверхности углеродных материалов. Рассмотрена возможность применения индикаторного метода для определения количества кислотно-основных центров и их распределения на...

Графен как материал для теплоотводов нового поколения

Графит, и алмаз — это один и тот же химический элемент — углерод (С). Отличаются графит и алмаз расположением атомов углерода в кристаллической решетке. Таким же образом можно изменить свойства нанотрубок, ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку...

Системы с приставкой «нано»: трубки, волокна, мембраны

Нанотрубки — это аллотропная модификация углерода. Чтобы представить себе их строение, обратимся к самой устойчивой форме углеродаграфиту. Его кристаллическая решетка состоит из отдельных плоских слоев, образованных правильными шестиугольниками.

Разработка урока по теме «Циклоалканы» | Статья в журнале...

Цель: Изучить строение, состав, физические свойства и тип гибридизации электронных облаков атома углерода в циклопропане.

3. Напишите структурную формулу циклопропана и укажите связи в молекуле, определите тип гибридизации атома углерода, валентный угол...

О критической температуре сверхпроводящего фуллерена С28

В определенных условиях молекулы С28 имеют свойство упорядочиваться в пространстве, они располагаются в узлах кристаллической решетки, иными словами

Чтобы молекулы С28 систематично разместились в пространстве, как и их атомы, они должны связаться между собой.

Селективная функционализация технического углерода...

Окисление технического углерода необходимо для повышения его взаимодействия с компонентами композиционных материалов, улучшения смачивания поверхности и придания функциональных свойств композитам. Известно, что степень окисленности технического...

Исследование возможности применения модификаторов на основе...

Углеродные нанотрубки (УНТ), обладающие высокими механическими характеристиками, рассматриваются как эффективное средство повышения физико-механических свойств композитных материалов. Они имеют свободные химические связи; поэтому – могут...

Задать вопрос