Фуллерены и нанотрубки. Вступление.

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Молекулы фуллеренов - сферические полые кластеры углерода с числом атомов n=30-120. Известны получаемые в достаточно больших количествах С60,C70,C76 и другие. Наиболее устойчивую форму имеет С60, сферическая полая структура которого состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников.

ПРИМЕНЕНИЕ

Как полупроводник (акцептор электронов)

Добавки для получения

искусственных Алмазов

Антиоксиданты ибиофармпрепараты

Сверхпроводящие соединения с С60

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ

Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи сферические конструкции построены по этому принципу.

Первый фуллерен, и вообще представитель данного класса соединений, бакминстерфуллерен (C60) был обнаружен в 1985 году Ричардом Смолли, Робертом Керл, Джеймсом Хит, Шоном О'Брайен, и Гарольдом Крото в Университете Райса (Хьюстон, штат Техас, США).

ПОЛУЧЕНИЕ

Единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент является их искусственный синтез.

Так же фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах.

Один электрод - плоский диск, второй- заточенный стержень диаметром 6 мм, слегка прижимаемый к первому электроду с помощью пружины. Собирающая поверхность - медный водоохлаждаемый цилиндр диаметром 8 см, длиной 15см. Буферный газ - гелий под давлением 100 торр. Через электроды пропускался переменный ток f=60 гц, I=100200 А, U=1020 В.

СТРОЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВВ молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида.По своей форме молекула С60 напоминает футбольный мяч, который также имеет форму Архимедового усеченного икосаэдра.

В углеродном каркасе атомы C находятся в sp2-гибридизацией, причем каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами. 4-х валентность реализуется за счет π-связей между каждым атомом углерода и одним из его соседей.

Теоретически возможно 12500 вариантов расположения двойных и ординарных связей (Низший из теоретически возможных фуллеренов C20 представляет собой не что иное, как додекаэдр(двенадцатигранник ).

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

Первая нанотрубка была получена путём распыления графита в электрической дуге. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон.

Углеродные нанотрубки - протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, открытые в 1991 году японским исследователем Иджимой.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТРУБОК

- Создание микроскопических весов

- Как трос для космического лифта

- Создания искусственных мускулов

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ ВЕСЫДанные весы действуют на основе колебательных процессов.Под действием электрического тока возникают механические колебания нанотрубки.Определив (спектроскопическими методами) частоту её собственных колебаний и прикрепив к ней исследуемый образец, можно определить частоту колебаний нагруженной нанотрубки.

Через формулу пружинного маятника ,

где K – субъективная характеристика прибора), можно найти массу груза.K

mT 2

ТРОС ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА

Так как нанотрубки теоретически, могут держать вес и больше тонны, то их можно использовать как трос,но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.

Космический лифт мог бы существенно удешевить перевозки в околоземном пространстве и оказать компаниям помощь в строительстве солнечных электростанций, пересылающих энергию на Землю. А это в свою очередь позволило бы уменьшить объемы сжигаемого топлива и замедлить процесс глобального потепления.

МЫШЦЫ НА НАНОТРУБКАХУже показано, что искусственные мускулы будут по меньшей мере втрое "сильнее" обычных, а используемые для их работы напряжение и сила тока невелики.Искусственные мускулы со временем можно будет использовать для протезирования органов и отдельных мышц (скажем, сердечной).

В 1999 году исследовательская группа во главе с Рэем Баухманом выступила с докладом о применении нанотрубок для создания искусственных мышц.

Источники:http://www.nanometer.ru/ http://www.nano-c.com/http://lenagold.ru/fon/tum/sepal.htmlhttp://www.surf.nuqe.nagoya-u.ac.jp/

Автор: аспирант каф. САПРиУПетров Д.Н.