Нановуглецеві структури

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 53:330.341.1

НАНОВУГЛЕЦЕВІ СТРУКТУРИ

Людмила Вовк

Полтавський університет споживчої кооперації України

Беззаперечним є той факт, що нанотехнології є самим передовим та багатообіцяючим напрямком розвитку усіх галузей наукоємної економіки сучасного розвинутого суспільства. Перехід до нанотехнологій приводить до дематеріалізації виробництва та різкого якісного зменшення енерго- та ресурсоємності [1, с. 10]. Нанотехнології стрімко розвиваються. Кожен місяць з'являються повідомлення про нові проекти, які здавались рік-другий тому абсолютною фантастикою. Нановуглецеві структури являють собою свого роду цеглинки для побудови великої кількості наноматеріалів та наномеханізмів. Цим структурам, їх властивостям та застосуванню присвячена дана робота.

Розглянемо речовини, атомарна сполука яких - це звичайний вуглець. Відомі такі форми вуглецю: графіт, алмаз, карбін, фуллерен, нанотрубка. Це субстанції, які складаються з тих самих атомів, тільки ведуть вони себе в різних ситуаціях по-різному, бо мають різні властивості. Розходження властивостей пояснюється тим, що атоми вуглецю, вступаючи у зв'язки, утворюють властиву кожній речовині кристалічну гратку. Також і вид зв'язку між атомами даних речовин різний.

Якщо досліджувати графіт, використовуючи спеціальний мікроскоп, то можна виявити, що він має шарувату структуру. Кожен такий шар складається із правильних шестикутників з ребром в 143 нм, у кутах яких розташовані атоми вуглецю. Сусідні шари втримуються між собою силами Ван-дер-Ваальса. Міцність останніх слабка, тому речовину можна легко розшарувати, тим самим виконавши малюнок на папері.

Алмаз має тривимірну тетраэдрічну структуру, де кожен атом вуглецю зв'язаний ковалентним зв'язком із чотирма іншими атомами. Відстань між вершинами кристалічної решітки постійна й дорівнює 154 нм. Кожен атом у решітці сильно пов'язаний з іншими й утворює як би одну гігантську макромолекулу. Алмаз має високу міцність, завдяки високій енергії ковалентних зв'язків.

В 1967 році в Інституті елементоорганічних сполук АН СРСР була синтезована третя форма вуглецю - карбін, що складається з лінійних, паличкоподібних молекул вуглецю.

Вуглецеві каркасні структури - це нова аллотропна форма вуглецю. Найвідоміша з вуглецевих каркасних структур- це фуллерен С60, відкриття якого у 1985 році призвело до буму досліджень у цьому напрямку. В 1985 році Н. В. Крото, Р. Ф. Керл, Р. Е. Смоллі змоделювали і відкрили існування таких кулястих молекул під час випаровування графіту при температурі 100000 С під дією лазера в струмені гелію. Ці молекули із шістдесяти, і сімдесяти атомів вуглецю - С60, і С70, були названі фуллеренами на честь американського інженера й архітектора Ричарда Бакминстера Фуллера (1895-1983), що вперше побудував геодезичний купол, що складається із шести- і п'ятикутників. За подальші дослідження фуллеренів Н. В. Крото, Р. Ф. Керлу і Р. Е. Смоллі в 1996 році була присуджена Нобелівська премія.

В кінці 80-х, на початку 90-х років було відкрито багато видів фуллеренів, як легших, так і важчих: починаючи від С20 (мінімально можливого з фуллеренів) та до С70, С82, С96, й вище . Фуллерени прийнято позначати так - фуллерен С60, С80, С240 (індекс-число атомів вуглецю). Після розробки простих способів одержання фуллеренів у достатніх для дослідження кількостях почався “фуллереновий бум”. Потік публікацій про їхні дивні властивості різко зріс. У багатьох країнах є науково-технічні програми по фуллеренам. Наука про фуллерени - фуллеренознавство надзвичайно швидко прогресує.

Фуллерен - це матеріальна частка з розміром біля третини нанометра (третини мільйонної частки міліметра). Відкриття такої малої частки стало можливим завдяки створенню тунельного мікроскопу у 1981 році.

нанотехнологія нановуглецевий атомарний каркасний

Рис 1. Структура фуллерена

Фуллерен має каркасну структуру (рис.1). Його особливість полягає в тому, що усередині він має порожнину, усередину якої, завдяки капілярним властивостям, можна помістити атоми інших речовин. Тобто можна використати фуллерени як контейнери для транспортування різних матеріалів. Шляхом заміщення одного або декількох атомів у кулястій структурі фуллерена (легуванням фуллерена) можна одержувати нові сполуки, наприклад, С59 N, С59B і т.д. Такі сполуки відкривають шлях до нової електроніки, до комп'ютерів, які у тисячі разів переважають сучасні. Є леговані фуллерени, що мають властивості гарного электричного ізолятора, є фуллерени - чудові провідники струму. Шляхом іонного напилювання одного виду легованого фуллерена можна одержати провідник, шляхом напилювання іншого виду легованого фуллерена - ізолятор, і резистор. Так можна одержати найпростішу електричну схему, розмір якої обчислюється окремими молекулами. Також є фуллеренові сполуки, що володіють пьезоэффектом, діамагнетизмом, парамагнетизмом, і навіть надпровідністю. Електронні схеми на основі фуллеренів будуть набагато мініатюрніші, простіші у виготовленні і менш енергоємними, ніж існуючі. Деякі фуллеренові матеріали мають надвисоку механічну міцність, велику пружність, і гнучкість, тому їх можна застосовувати як присадки для поліпшення властивостей уже існуючих матеріалів. Можна легувати різні види фуллеренів, різними атомами та сполученнями, у результаті виходять нові речовини, з новими властивостями і можливостями.

Ендофуллерен, ендоендральна сполука, ендоендрал - фуллерен, що містить усередині себе один або кілька атомів або молекул. Синтезовані і виділені ендофуллерени, що мають сегнетоелектричні, парамагнітні і діамагнітні властивості.

Високосиметричні фуллерени С240, С540, С960 можуть містити усередині себе більш дрібні фуллерени С60, С70, і інші. Такі сполуки називають “цибулина” (onion) або “экзофуллерен”.

Чудові можливості надають гідрофуллерени (різні типи сполук фуллерена з воднем). Завдяки компактному й безпечному зберіганню водню в цих матеріалах, стає можливим перехід до епохи сонячно-водневої енергетики. Гідрофуллерени дають можливість безпосереднього перетворення сонячної енергії й застосування водню як екологічно чистого палива й енергоносія. Фуллерени - цікавий об'єкт досліджень у багатьох галузях науки [2].

Велике майбутнє очікує фуллеренів як новий клас напівпровідникових матеріалів. Роботи в цьому напрямку вже дозволили створити надпровідні (52К) дірково-леговані структури, що нагадують польовий транзистор. Фуллерени можуть застосовуватися дуже широко, у самих різних галузях промисловості. Застосування фуллеренів для покриття сталі приводить до підвищення зносостійкості й термостійкості, а добавка фуллерену в чавун надає йому високу пластичність.

Фуллеренове покриття кераміки в рази знижує коефіцієнт тертя, а введення фуллеренів або сажі в армовані пластики й полімерних композитів значно знижує коефіцієнт тертя, підвищує термостійкість і радіаційну стійкість, приводить до збільшення міцнісних характеристик. Мікродобавки сажі в сполуки, що пломбують, або бетонні суміші підвищують марку матеріалів.

Розглянемо ще один вуглецевий каркас, який нагадує форму труби - нанотрубку. Відкриття вуглецевої нанотрубки відноситься до найбільш значних досягнень сучасної науки. Вважається, що вона була відкрита японським вченим Іідзимою у 1991 році у продуктах електродугового випарення графіту. Відмітимо, що важливі дослідження форм вуглецю проводилися і в Україні. Нанотрубка -це скручений у трубку вуглецевий лист одноатомної товщини, що складається з порядку мільйона атомів вуглецю. ЇЇ довжина складає декілька десятків мікрон, а діаметр біля одного нанометра (рис. 2).

Рис. 2 Структура нанотрубки.

Властивості цієї молекули теж унікальні. ЇЇ діаметр у 100 тисяч разів менший за волосину людини, але нанотрубка має гарну міцність: хоч густина нанотрубок у шість разів менша густини металу, але по міцності вони кращі сталі у 50-100 разів. Рівень деформації цих чудових структур набагато вищий ніж у звичайних вуглецевих волокон, значить вони не тільки дуже міцні, але ще й пружні. Причому, якщо прикласти таку напругу механічної дії, яка вища критичної, то молекула не розпадається, її атоми просто перебудовуються.

Існує велика кількість можливих форм наноструктур: одношарові та багатошарові нанотрубки, труби у формі спіралі, нанострючки (структури у яких фуллерени знаходяться всередині нанотрубок), “наноматрешки” (трубки всередині трубок) та інші. Можна легко керувати властивостями нових матеріалів: так електричні властивості нанотрубок можна змінювати, заповнюючи порожнину трубки атомами або молекулами інших речовин.

Графен - вуглецева плівка товщиною в один атом, був отриманий в 2004 році групою Андре Гейму з Манчестерского університету. Графен можна уявити собі як двовимірний "зріз" кристалічної гексагональної решітки графіту.

Рис. 3. Кристалічна гратка графена.

На даний час фізикам уже вдалося встановити, що графен має високу рухомість зарядів (приблизно в 100 разів вищу, ніж у кремнію, і в 20 разів вище, ніж в арсеніду галію; із прикладної точки зору це означає можливість створення в майбутньому більш кращих електронних пристроїв, таких як транзистори, наприклад), найменшим серед всіх провідників питомим опором, а також що графен кращий провідник тепла (його коефіцієнт теплопровідності приблизно дорівнює 5000 Вт/м·). Модуль Юнга графена дорівнює 1012 Па. Міцність графена на порядок більша міцності усіх відомих речовин. Межа міцності на розрив становить 55 Н/м [4].

Нановуглецеві структури є матеріалом з великим потенціалом практичного застосування. Це - хімічні джерела струму, акумулятори водню, оптичні фільтри. Інші застосування базуються на схожості властивостей нанотрубок та вуглецевих волокон. Це напівпровідникові прилади, польові емітери, зонди тунельних мікроскопів, “квантові проводи”. Ведуться роботи по створенню плоских екранів (дисплеїв) з холодними катодами. У якості робочого тіла катодів розглядаються вуглецеві нанотрубки або інші вуглецеві наноматеріали, які мають високі емісійні властивості при незначних електричних полях. По габаритах та рівню споживаємої потужності монітори на вуглецевих нанотрубках будуть значно кращі за традиційні високовольтні кінескопи, а по яскравості світності та куту зору - дорогі дисплеї на рідких кристалах. Нанотрубки скоро будуть застосовувати у комп'ютерах і телефонах для збільшення пам'яті [5].

Нанотехнології керують структурою матерії на атомарному рівні, тобто на рівні, загальному для всього живого й неживого. Ця інтегруюча роль нанотехнологій висуває їх на одне з перших місць у сфері критичних технологій, без розвитку яких сьогодні жодна країна не може претендувати на конкурентний технологічний розвиток і створення своєї інтелектуальної власності в сфері науки й технологій. Тому вивчення нанотехнологій повинно стати пріоритетним у навчальних закладах, щоб не тільки йти у ногу з сучасністю, але й намагатись випереджати суспільно-економічний розвиток країни.

Література

1. Нанотехнологии - фундамент новой наукоемкой экономики. Новые возможности СНГ в ХХI веке / М.В. Ковальчук // Наука та інновації. - 2008. - №1. - С. 5-28.

2. http://nano.com.ua/content/view/56/28/

3. http://www.nanojournal.ru/events.aspx?cat_id=224&d_no=724

4. Changgu Lee, Xiaoding Wei, Jeffrey W. Kysar, James Hone. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene // Science. 2008. V. 321. P. 385-388.

5. On-Line journal Physics.com.ua

Размещено на Allbest.ru