Фулерени і вуглецеві нанотрубки

Фулерени і вуглецеві нанотрубки. Властивості і застосування

Основою молекули фулерену є вуглець - цей унікальний хімічний елемент, що відрізняється здатністю з'єднуватися з більшістю елементів і утворювати молекули самого різного складу і будови. Зі шкільного курсу хімії вам, звичайно ж, відомо, що вуглець має два основних аллотропних стану -графіт і алмаз. Так ось, з відкриттям фуллерена, можна сказати, вуглець придбав ще одне алотропна стан.

Для початку розглянемо структури молекул графіту, алмазу і фулерену.

Графіт має шаруватої структурою (Рис.8). Кожен його шар складається з атомів вуглецю, ковалентно пов'язаних один з одним в правильні шестикутники.

Мал. 8. Структура графіту

Сусідні шари утримуються разом слабкими Ван-дер-ваальсово силами. Тому вони легко ковзають один по одному. Прикладом цього може служити простий олівець -коли ви проводите графітовим стрижнем по папері, шари поступово "відшаровуються" один від одного, залишаючи на ній слід.

Алмаз має тривимірну тетраедричних структуру (Рис.9). Кожен атом вуглецю ковалентно пов'язаний з чотирма іншими. Всі атоми в кристалічній решітці розташовані на однаковій відстані (154 нм) один від одного. Кожен з них пов'язаний з іншими прямий ковалентним зв'язком і утворює в кристалі, яких би розмірів він не був, одну гігантську макромолекулу

Мал. 9. Структура алмазу

Завдяки високій енергії ковалентних зв'язків С-С, алмаз має високу міцність і використовується не тільки як дорогоцінний камінь, але і в якості сировини для виготовлення металорізального та шліфувального інструменту (можливо, Новомосковсктелям доводилося чути про алмазну обробці різних металів)

Фулерени отримали свою назву на честь архітектора Бакминстера Фуллера, який придумав подібні структури для використання їх в архітектурному будівництві (тому їх також називають бакіболи). Фуллерен має каркасну структуру, дуже нагадує футбольний м'яч, що складається з "латочок" 5-ти і 6-тіугольной форми. Якщо уявити, що в вершинах цього багатогранника знаходяться атоми вуглецю, то ми отримаємо найстабільніший фуллерен С60. (Рис. 10)

Мал. 10. Структура фуллерена C 60

У молекулі С60, яка є найбільш відомим, а також найбільш симетричним представником сімейства фулеренів, число шестикутників дорівнює 20. При цьому кожен п'ятикутник межує тільки з шестикутниками, а кожен шестикутник має три загальні сторони з шестикутниками і три -з п'ятикутниками.

Структура молекули фулерену цікава тим, що всередині такого вуглецевого "м'ячика" утворюється порожнина, в яку завдяки капілярним властивостям можна ввести атоми і молекули інших речовин, що дає, наприклад, можливість їх безпечного транспортування.

У міру дослідження фулеренів були синтезовані і вивчені їх молекули, що містять різне число атомів вуглецю -від 36 до 540. (Рис. 11)

Мал. 11. Структура фулеренів а) 36, б) 96, в) 540

Нанотрубка- це молекула з понад мільйон атомів вуглецю, що представляє собою трубку з діаметром близько нанометра і довжиною кілька десятків мікрон. У стінках трубки атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників.

Мал. 13 Структура вуглецевої нанотрубки.

а) загальний вигляд нанотрубки

б) нанотрубка розірвана з одного кінця

Структуру нанотрубок можна уявити собі так: беремо графітову площину, вирізаємо з неї смужку і "склеюємо" її в циліндр (насправді, звичайно, нанотрубки ростуть зовсім по-іншому). Здавалося б, що може бути простіше - береш графітову площину і звертаєш в циліндр! - однак до експериментального відкриття нанотрубок ніхто з теоретиків їх не передбачав. Так що вченим залишалося тільки вивчати їх і дивуватися.

А дивуватися було чому - адже ці дивовижні нанотрубки в 100 тис.

разів тонші людської волосини виявилися на рідкість міцним матеріалом. Нанотрубки в 50-100 разів міцніший за сталь і мають в шість разів меншу щільність! Модуль Юнга - рівень опору матеріалу деформації - у нанотрубок вдвічі вище, ніж у звичайних вуглецевих волокон. Тобто трубки не тільки міцні, але й гнучкі, і нагадують за своєю поведінкою не ламкі соломинки, а жорсткі гумові трубки. Під дією механічної напруги, що перевищують критичні, нанотрубки поводяться досить екстравагантно: вони не "рвуться", не «ламаються", а просто-напросто перебудовуються!

В даний час максимальна довжина нанотрубок складає десятки і сотні мікронів - що, звичайно, дуже велике по атомних масштабах, але занадто мало для повсякденного використання. Однак довжина одержуваних нанотрубок поступово збільшується -зараз вчені вже впритул підійшли до сантиметровому рубежу. Отримано багатошарові нанотрубки довжиною 4 мм.

Нанотрубки бувають самої різної форми: одношарові і багатошарові, прямі і спіральні. Крім того, вони демонструють цілий спектр найнесподіваніших електричних, магнітних, оптичних властивостей.

Наприклад, в залежності від конкретної схеми згортання графітової площині (хиральности), нанотрубки можуть бути як провідниками, так і напівпровідниками електрики. Електронні властивості нанотрубок можна цілеспрямовано змінювати шляхом введення всередину трубок атомів інших речовин.

Порожнечі всередині фулеренів і нанотрубок давно привертали увагу

вчених. Експерименти показали, що якщо всередину фулерену впровадити атом якогось речовини (цей процес носить назву "Інтеркаляція", тобто "впровадження"), то це може змінити його електричні властивості і навіть перетворити ізолятор в надпровідник!

А чи можна таким же чином змінити властивості нанотрубок? Виявляється, так. Вчені змогли помістити всередину нанотрубки цілий ланцюжок з фулеренів з вже вбудованими в них атомами гадолінію. Електричні властивості такої незвичайної структури сильно відрізнялися як від властивостей простий, полою нанотрубки, так і від властивостей нанотрубки з порожніми фулеренами всередині. Цікаво відзначити, що для таких з'єднань розроблені спеціальні хімічні позначення. Описана вище структура записується як Gd @ C60 @ SWNT, що означає "Gd усередині C60 всередині одношарової нанотрубки (Single Wall NanoTube)".

Провід для макропріборов на основі нанотрубок можуть пропускати струм практично без виділення тепла і струм може досягати величезного значення - 10 7 А / см 2. Класичний провідник при таких значеннях миттєво б випарувався.

Інший приклад - використання нанотрубки як голки скануючого мікроскопа. Зазвичай таке вістря представляє собою гостро заточену вольфрамову голку, але з атомних мірками така заточка все одно достатньо груба. Нанотрубка ж являє собою ідеальну голку діаметром порядку декількох атомів. Прикладаючи певне напруження, можна підхоплювати атоми і цілі молекули, що знаходяться на підкладці безпосередньо під голкою, і переносити їх з місця на місце.

Незвичайні електричні властивості нанотрубок зроблять їх одним з основних матеріалів наноелектроніки. На їх основі виготовлені прототипи нових елементів для комп'ютерів. Ці елементи забезпечують зменшення пристроїв в порівнянні з кремнієвими на кілька порядків. Зараз активно обговорюється питання про те, в який бік піде розвиток електроніки після того, як можливості подальшої мініатюризації електронних схем на основі традиційних напівпровідників будуть повністю вичерпані (це може статися в найближчі 5-6 років). І нанотрубок відводиться безперечно лідируюче положення серед перспективних претендентів на місце кремнію.

Ще одне застосування нанотрубок в наноелектроніки - створення напівпровідникових гетероструктур, тобто структур типу "метал / напівпровідник" або стик двох різних напівпровідників (нанотранзистори).

Тепер для виготовлення такої структури не треба буде вирощувати окремо два матеріали і потім "зварювати" їх один з одним. Все, що потрібно, це в процесі росту нанотрубки створити в ній структурний дефект (а саме, замінити один з вуглецевих шестикутників п'ятикутником) просто надломив його посередині особливим чином. Тоді одна частина нанотрубки буде володіти металевими властивостями, а інша -Властивості напівпровідників!