A fullerének előállításának leghatékonyabb módja a grafit hőbontásán alapul. A grafit mérsékelten hevítve az egyes grafitrétegek közötti kötés megszakad, de az elpárolgott anyag nem bomlik le egyedi atomokra. Ebben az esetben az elpárolgott réteg egyedi töredékekből áll, amelyek hatszögek kombinációja. Ezekből a fragmentumokból épül fel a C60 molekula és más fullerének. A grafit fullerének előállításához történő lebontásához grafitelektróda rezisztív és nagyfrekvenciás melegítését, szénhidrogének elégetését, a grafitfelület lézeres besugárzását és a grafit fókuszált napsugárral történő elpárologtatását alkalmazzák. Ezeket a folyamatokat puffergázban hajtják végre, amely általában hélium. Leggyakrabban fullerének előállítására ívkisülést használnak grafitelektródákkal hélium atmoszférában. A hélium fő szerepe a hűtési fragmentumokhoz kapcsolódik, amelyek nagy fokú vibrációs gerjesztéssel rendelkeznek, ami megakadályozza, hogy stabil szerkezetekké egyesüljenek. Az optimális héliumnyomás 50-100 Torr.

A módszer alapja egyszerű: két grafitelektróda között elektromos ívet gyújtanak meg, amelyben az anód elpárolog. A reaktor falára 1-40% fulleréneket tartalmazó korom rakódik le (a geometriai és technológiai paraméterektől függően). A fullerének fulleréntartalmú koromból való extrahálásához elválasztást és tisztítást, folyadékextrakciót és oszlopkromatográfiát alkalmaznak. Az első szakaszban a kormot nem poláros oldószerrel (toluol, xilol, szén-diszulfid) kezelik. Az extrakció hatékonyságát Soxhlet készülék vagy ultrahangos kezelés biztosítja. A képződött fullerének oldatot szűréssel és centrifugálással elválasztják a csapadéktól, az oldószert ledesztillálják vagy bepárolják. A szilárd üledék fullerének keverékét tartalmazza, amelyet az oldószer különböző mértékben szolvatál. A fullerének egyedi vegyületekre történő szétválasztását oszlopos folyadékkromatográfiával vagy nagynyomású folyadékkromatográfiával végezzük. A szilárd fullerén mintából az oldószer maradékát úgy távolítjuk el, hogy dinamikus vákuum körülmények között több órán át 150-250 °C hőmérsékleten tartjuk. A tisztaság további növelése a tisztított minták szublimálásával érhető el

8. A fullerének és fulleritek gyakorlati felhasználásának kilátásai

A fullerének felfedezése már a szilárdtestfizika és -kémia (sztereokémia) új ágainak létrejöttéhez vezetett. A fullerének és származékaik biológiai aktivitását aktívan tanulmányozzák. Kimutatták, hogy ennek az osztálynak a képviselői képesek gátolni a különböző enzimeket, a DNS-molekulák specifikus hasítását okozzák, elősegítik az elektronok átvitelét a biológiai membránokon keresztül, és aktívan részt vesznek a szervezet különböző redox folyamataiban. Megkezdődött a fullerének metabolizmusának tanulmányozása, különös tekintettel a vírusellenes tulajdonságokra. Kimutatták, hogy bizonyos fullerén-származékok képesek gátolni az AIDS-vírus proteázát. Széles körben vitatják a fullerének radioaktív izotópokkal alkotott, vízben oldódó endoédervegyületein alapuló rákellenes gyógyszerek létrehozásának ötletét. De itt elsősorban a fullerén anyagok technológiai és elektronikai felhasználásának kilátásait fogjuk érinteni.

Szuperkemény anyagok és gyémántok beszerzésének lehetősége. Nagy reményeket fűznek ahhoz, hogy a részleges sp^3 hibridizációval rendelkező fullerént nyersanyagként használják fel a grafit helyettesítésére a műszaki felhasználásra alkalmas gyémántok szintézisében. Japán kutatók, akik a nyomásnak a fullerénre gyakorolt ​​hatását vizsgálták 8-53 GPa tartományban, kimutatták, hogy a fullerén-gyémánt átmenet 16 GPa nyomáson és 380 K hőmérsékleten kezdődik, ami lényegesen alacsonyabb, mint a

a grafit-gyémánt átmenethez. Megszerzésének lehetősége

nagyméretű (600-800 mikronos) gyémántok 1000 °C hőmérsékleten és 2 GPa nyomásig. A nagy gyémántok hozama elérte a 33 súlyt. %. Az 1331 cm^-1 frekvenciájú Raman-szórási vonalak szélessége 2 cm^-1 volt, ami a kapott gyémántok kiváló minőségét jelzi. Szuperkemény nyomással polimerizált fullerit fázisok előállításának lehetőségét is aktívan tanulmányozzák.

Fullerének, mint prekurzorok a gyémántfilmek és a szilícium-karbid növekedéséhez. A nagy hézagú félvezetők, például a gyémánt és a szilícium-karbid fóliái ígéretesek a magas hőmérsékletű, nagy sebességű elektronikában és az optoelektronikában, beleértve az ultraibolya tartományt is. Az ilyen eszközök költsége a kémiai leválasztási (CVD) módszerek kidolgozásától függ a széles hézagú fóliák esetében, és ezeknek a módszereknek a szabványos szilíciumtechnológiával való kompatibilitásától. A gyémántfilmek termesztésének fő problémája, hogy a reakciót előnyben részesítsék a fázis kialakulásának útvonalán sp^3, és Nem sp^2. Hatékonynak tűnik a fullerének kétféle felhasználása: növeljük a gyémánt gócképző központok képződési sebességét a szubsztrátumon, és megfelelő „építőköveként” használjuk őket a gázfázisú gyémánttermesztéshez. Kimutatták, hogy a C60 feldarabolódása mikrohullámú kisülésnél történik a C2-n, amelyek alkalmas anyagok gyémántkristályok növekedésére. A MER Corporation kiváló minőségű gyémánt fóliákat állított elő 0,6 µm/h növekedési sebességgel fullerének felhasználásával növekedési és gócképző prekurzorként. A szerzők azt jósolják, hogy ez a magas növekedési ütem jelentősen csökkenti a CVD-gyémántok költségeit. Jelentős előnye, hogy a fullerének megkönnyítik a rácsparaméterek egyeztetésének folyamatát a heteroepitaxia során, ami lehetővé teszi az IR anyagok szubsztrátként történő felhasználását.

A jelenlegi szilícium-karbid gyártási eljárások 1500 °C-ig terjedő hőmérséklet alkalmazását teszik szükségessé, ami rosszul kompatibilis a szabványos szilíciumtechnológiával. De fullerének használatával szilícium-karbid állítható elő egy C60 film szilícium szubsztrátumra történő felhordásával, további hőkezeléssel 800-900 °C-ot meg nem haladó hőmérsékleten, 0,01 nm/s növekedési sebességgel a Si hordozón.

Fullerének, mint litográfiai anyag. Lézer- vagy elektronsugár hatására polimerizálódnak, és ezáltal szerves oldószerekben oldhatatlan fázist képeznek, a szubmikronos litográfiához való rezisztként való felhasználásuk ígéretes. A fullerén fóliák jelentős melegítést bírnak, nem szennyezik az aljzatot, és lehetővé teszik a száraz fejlődést.

Fullerének, mint új anyagok a nemlineáris optikához. Fullerén tartalmú anyagok (oldatok, polimerek, erősen nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkező folyadékok ígéretesek az intenzív lézersugárzás optikai korlátozójaként (csillapítójaként); fotorefraktív közeg dinamikus hologramok rögzítésére; frekvenciaváltó; fáziskonjugációs eszközök).

A legtöbbet vizsgált terület a C60-as megoldásokon és szilárd megoldásokon alapuló optikai teljesítménykorlátozók létrehozása. A nemlineáris átviteli korlátozás hatása körülbelül 0,2-0,5 J/cm^2-nél kezdődik, a telített optikai átvitel szintje 0,1-0,12 J/cm2-nek felel meg. Az oldat koncentrációjának növekedésével az energiasűrűség-korlátozás szintje csökken. Például, ha a mintában az úthossz 10 mm (kollimált nyaláb) és a toluolos C60-oldat koncentrációja 1 * 10^-4, 1,65 * 10^-4 és 3,3 * 10^-4 M, a telített Az optikai limiter áteresztőképessége 320, 165 és 45 mJ/cm 2 -nek bizonyult. Kimutatták, hogy 532 nm hullámhosszon, különböző t impulzusidőtartamoknál (500 fs, 5 ps, 10 ns) a nemlineáris optikai korlát 2, 9 és 60 mJ/cm^2 energiasűrűségnél nyilvánul meg. Nagy bemeneti energiasűrűségnél (több mint 20 J/cm^2) a gerjesztett szintről a nemlineáris telített abszorpció hatása mellett a mintában a nyaláb defókuszálása figyelhető meg, ami nemlineáris abszorpcióval jár, a a minta hőmérséklete és a törésmutató változása a nyaláb áthaladásának tartományában. Magasabb fullerének esetén az abszorpciós spektrumok határa hosszabb hullámhosszra tolódik el, ami lehetővé teszi, hogy λ = 1,064 μm-nél optikai határértéket kapjunk.

Szilárdtest optikai limiter létrehozásához elengedhetetlen, hogy fulleréneket vigyünk be egy szilárdtest mátrixba, miközben a molekula egészét megőrizzük, és homogén szilárd oldatot képezünk. Szükséges továbbá egy nagy sugárzásállóságú, jó átlátszóságú és jó optikai minőségű mátrix kiválasztása. Szilárdtest-mátrixként polimereket és üveges anyagokat használnak. Beszámoltak a C60 szilárd SiO 2-os oldatának sikeres előállításáról szol-gél technológiával. A minták optikai határa 2-3 mJ/cm^2 volt, a pusztulási küszöbük pedig több mint 1 J/sv^2. Leírnak egy polisztirol mátrixon lévő optikai határolót is, és bemutatják, hogy ebben az esetben az optikai korlátozó hatása 5-ször jobb, mint az oldatban lévő C60 esetében. A fullerének lézerfoszfát üvegekbe való bejuttatása során kimutatták, hogy a poharakban lévő C60 és C70 fullerének nem pusztulnak el, és a fullerénekkel adalékolt üvegek mechanikai szilárdsága nagyobb, mint a tiszta üvegeké.

A nemlineáris optikai sugárzás teljesítménykorlátozásának érdekes alkalmazása a fullerének alkalmazása lézerüregben a tüske mód elnyomására az önmódú zárolás során. A fulleréneket tartalmazó közeg nagyfokú nemlinearitása bistabil elemként használható impulzuskompresszióhoz nanoszekundumos időtartamú tartományban.

Fullerének jelenléte az elektronszerkezetben pi Az -elektronikus rendszerek, mint ismeretes, a nemlineáris szuszceptibilitás nagy értékéhez vezetnek, ami hatékony harmadik optikai harmonikus generátorok létrehozásának lehetőségét sugallja. A nemlineáris szuszceptibilitási tenzor x (3) nullától eltérő összetevőinek jelenléte szükséges feltétele a harmadik harmonikusgenerációs folyamat megvalósításának, de gyakorlati alkalmazásának több tízszázalékos hatékonysággal a fázisillesztés megléte a közeg szükséges. Hatékony generáció

kölcsönható hullámok kvázi szinkronizálásával réteges struktúrákban nyerhető. A fullerént tartalmazó rétegek vastagsága megegyezzen a koherens kölcsönhatás hosszával, az őket gyakorlatilag nulla köbös szuszceptióval elválasztó rétegek pedig olyan vastagságúak legyenek, amely biztosítja a fáziseltolódást. pi az alapfrekvencia és a harmadik harmonikus sugárzás között.

Fullerének, mint új félvezető és nanoszerkezeti anyagok. A fulleriteket, mint félvezetőket körülbelül 2 eV-os sávszélességgel, térhatású tranzisztorok, fotovoltaikus eszközök, napelemek készítésére lehet használni, és erre is van példa. Paraméterekben azonban aligha vehetik fel a versenyt a hagyományos Si- vagy GaAs-alapú fejlett technológiájú készülékekkel. Sokkal ígéretesebb a fullerén molekula kész nanoméretű objektumként való felhasználása nanoelektronikai eszközök és új fizikai elveken alapuló eszközök létrehozására.

Egy fullerén molekula például meghatározott módon elhelyezhető egy szubsztrát felületén pásztázó alagútmikroszkóp (STM) vagy atomerőmikroszkóp (AFM) segítségével, és ez felhasználható információrögzítésre. Az információk olvasásához ugyanazzal a szondával felületi szkennelést alkalmaznak. Ebben az esetben 1 bit információ egy 0,7 nm átmérőjű molekula jelenléte vagy hiánya, amely lehetővé teszi az információrögzítés rekordsűrűségének elérését. Ilyen kísérleteket végeznek Bellnél. A ritkaföldfém elemek, például a terbium, gadolínium és diszprózium endoéder komplexei, amelyek nagy mágneses momentumokkal rendelkeznek, szintén érdekesek az ígéretes memóriaeszközök számára. Az ilyen atomot tartalmazó fullerénnek mágneses dipólus tulajdonságaival kell rendelkeznie, amelynek orientációja külső mágneses térrel szabályozható. Ezek a komplexek (egyrétegű film formájában) akár 10^12 bit/cm^2 rögzítési sűrűségű mágneses adathordozó alapjául is szolgálhatnak (összehasonlításképpen: az optikai lemezek 10-es felületi rögzítési sűrűséget tesznek lehetővé ^8 bit/cm^2).

12. ábra . C60 molekulán alapuló egymolekulás tranzisztor sematikus diagramja

Fizikai elveket dolgoztak ki egy tranzisztor analógjának létrehozására egyetlen fullerén molekulán, amely erősítőként szolgálhat a nanoamper tartományban ( rizs. 12). A C60 molekula egyik oldalán kétpontos nanokontaktusok találhatók körülbelül 1-5 nm távolságra. Az egyik elektróda forrás, a másik a lefolyó szerepét tölti be. A harmadik elektróda (rács) egy kis piezoelektromos kristály, és a molekula másik oldalán van der Waals távolságra kerül. A bemeneti jel egy piezoelektromos elemre (csúcsra) kerül, amely deformálja az elektródák – forrás és lefolyó – között elhelyezkedő molekulát, és modulálja az intramolekuláris átmenet vezetőképességét. Az áramáramlás molekuláris csatornájának átlátszósága a fém hullámfüggvényeinek elmosódásának mértékétől függ a fullerénmolekula tartományában. Ennek a tranzisztoreffektusnak egy egyszerű modellje egy alagútsorompó, amelynek magasságát a szélességétől függetlenül modulálják, azaz a C60 molekulát természetes alagútgátként használják. Az ilyen elem feltételezett előnyei a kis méretek és az elektronok nagyon rövid repülési ideje alagút üzemmódban a ballisztikus esethez képest, ebből ered az aktív elem nagyobb teljesítménye. Az integráció lehetőségét, vagyis C60 molekulánként több aktív elem létrehozását fontolgatják.

Szén nanorészecskék és nanocsövek

A C60 és C70 fullerének felfedezését követően a grafit elektromos ívben vagy erős lézersugárban történő elégetésével kapott termékek tanulmányozása során szénatomokból álló részecskéket fedeztek fel, amelyek megfelelő alakúak és méretűek több tíz és több száz nanométer között. a fullerének mellett kapta a nevet nanorészecskék is .

Felmerül a kérdés: miért tartott olyan sokáig felfedezni a fulleréneket, amelyeket egy olyan általános anyagból, mint a grafit, nyernek? Ennek két fő oka van: egyrészt a szénatomok kovalens kötése nagyon erős: megszakításához 4000 °C feletti hőmérsékletre van szükség; másodszor, kimutatásukhoz nagyon összetett berendezésekre – nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópokra – van szükség. Mint ismeretes, a nanorészecskék a legfurcsább formájúak lehetnek. Különféle szénképződmények ismert formában mutatkoztak be. Gyakorlati szempontból a nanocsövek a legnagyobb érdeklődésre számot tartó nanoelektronika számára, amely ma már felváltja a mikroelektronikát. Ezeket a szénképződményeket S. Ijima japán tudós fedezte fel 1991-ben. A nanocsövek véges grafitsíkok, amelyeket hengerbe hengerelnek, és lehetnek nyitott vagy zárt végei. Ezek a képződmények tisztán tudományos szempontból is érdekesek, mint az egydimenziós struktúrák modelljei. Valójában 9 A (0,9 nm) átmérőjű egyfalú nanocsöveket fedeztek fel. Az oldalsó felületen a szénatomok, akárcsak a grafit síkban, hatszögletű csomópontokban helyezkednek el, de a hengereket a végén takaró csészékben ötszögek és háromszögek is létezhetnek. Leggyakrabban a nanocsövek koaxiális hengerek formájában vannak kialakítva.

A nanocső képződmények tulajdonságainak tanulmányozásának fő nehézsége az, hogy jelenleg nem érhetők el makroszkopikus mennyiségben úgy, hogy a csövek tengelytengelyei együtt vannak irányítva. Mint már említettük, a kis átmérőjű nanocsövek kiváló modellként szolgálnak az egydimenziós struktúrák jellemzőinek tanulmányozására. Várható, hogy a nanocsövek, mint a grafit, jól vezetik az elektromosságot, és valószínűleg szupravezetők. Az ilyen irányú kutatások a közeljövő kérdése.

A fullerén egy molekuláris vegyület, amely a szén allotróp formáinak osztályába tartozik, és egy konvex zárt poliéder, amely páros számú trikoordinált szénatomból áll. A fullerének egyedi szerkezete meghatározza egyedi fizikai és kémiai tulajdonságaikat.

A szén egyéb formái: grafén, karbin, gyémánt, fullerén, szén nanocsövek, „bajusz”.

A fullerén leírása és szerkezete:

A fullerén, a buckyball vagy a buckyball egy molekuláris vegyület, amely az allotróp formák osztályába tartozik szénés konvex zárt poliédereket képvisel, amelyek páros számú trikoordinált szénatomból állnak.

A fullerének nevét Richard Buckminster Fuller mérnökről és építészről kapta, aki kifejlesztette és megépítette egy „geodéziai kupola” térszerkezetét, amely egy tetraéderekből összeállított félgömb. Ez a design Fullernek nemzetközi elismerést és hírnevet hozott. Ma fejlesztései alapján kupolás házakat fejlesztenek, építenek. A fullerén szerkezetében és alakjában hasonlít Richard Buckminster Fuller jelzett terveire.

A fullerének egyedi szerkezete meghatározza egyedi fizikai és kémiai tulajdonságaikat. Más anyagokkal kombinálva alapvetően új tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítását teszik lehetővé.

Fullerén molekulákban, atomokban szén a gömb vagy ellipszoid felületét alkotó hatszögek és ötszögek csúcsaiban találhatók. A fulleréncsalád legszimmetrikusabb és legteljesebben tanulmányozott képviselője a fullerén (C 60), amelyben a szénatomok 20-ból álló csonka ikozaédert alkotnak. hatszögekés 12 ötszögű, és futballlabdára emlékeztet (ideális forma, rendkívül ritka a természetben).

A következő leggyakoribb a C 70 fullerén, amely a C 60 fulleréntől egy 10 atomos öv beiktatásával különbözik. szén a C 60 egyenlítői régiójába, aminek következtében a C 60 fullerén molekula megnyúlik és alakjában egy rögbi labdára hasonlít.

A nagyobb számú (legfeljebb 400-at) szénatomot tartalmazó, úgynevezett magasabb fullerének sokkal kisebb mennyiségben képződnek, és gyakran meglehetősen összetett izomer összetételűek. A legtöbbet vizsgált magasabb fullerének közül kiemelhetjük a C n, Ahol n= 74, 76, 78, 80, 82 és 84.

A fullerén csúcsai, élei és lapjai közötti kapcsolat egy matematikai képlettel fejezhető ki az Euler-tétel poliéderekre vonatkozóan:

B - P + G = 2,

ahol B egy konvex poliéder csúcsainak száma, P az éleinek száma és Г a lapjainak száma.

A konvex poliéder Euler-tétele szerinti létezésének (és ennek megfelelően egy bizonyos szerkezetű és alakú fullerén létezésének) szükséges feltétele pontosan 12 ötszögletű lap és B. /2 — 10 arcok.

A fullerének létezésének lehetőségét japán tudósok 1971-ben jósolták meg, elméleti indoklást pedig szovjet tudósok 1973-ban. A fullerént először 1985-ben szintetizálták az Egyesült Államokban.

Szinte az összes fullerént mesterségesen nyerik. A természetben nagyon kis mennyiségben fordul elő. Földgáz égése és villámkisülés során keletkezik, és nagyon kis mennyiségben előfordul shungitokban, fulguritokban, meteoritokban és fenéküledékekben is, amelyek életkora eléri a 65 millió évet.

Fullerén vegyületek:

A fullerén könnyen kombinálható más kémiai elemekkel. Jelenleg már több mint 3 ezer új és származékos vegyületet szintetizáltak fullerének alapján.

Ha egy fullerénmolekula összetétele a szénatomokon kívül más kémiai elemek atomjait is tartalmazza, akkor ha más kémiai elemek atomjai a szénkereten belül helyezkednek el, az ilyen fulleréneket endoédernek, ha kívülről - exoédernek nevezzük.

A fullerén előnyei és tulajdonságai:

– a fulleréneket használó anyagok fokozott szilárdsággal, kopásállósággal, termikus és kémiai stabilitással és csökkent kopásállósággal rendelkeznek,

– a fullerének mechanikai tulajdonságai lehetővé teszik, hogy rendkívül hatékony súrlódásgátló szilárd kenőanyagként használják őket. Az ellentestek felületén több tíz és több száz nanométer vastag fullerén-polimer védőréteget képeznek, amely véd a termikus és oxidatív pusztulástól, 3-8-szorosára növeli a súrlódó egységek élettartamát vészhelyzetben, növeli a kenőanyagok hőstabilitását. 400-500 °C-ra és a teherbíró képességű súrlódó egységek 2-3-szorosára, 1,5-2-szeresére bővíti a súrlódó egységek üzemi nyomástartományát, csökkenti az ellentestek bejáratási idejét,

- fullerének képesek polimerizálni és vékony filmeket képezni,

– fullerén oldat átlátszóságának éles csökkenése, ha az optikai sugárzás intenzitása meghalad egy bizonyos kritikus értéket a nemlineáris optikai tulajdonságok miatt,

– fullerének felhasználásának lehetősége az optikai eszközök intenzív optikai sugárzás elleni védelmére használt nemlineáris optikai kapuk alapjaként,

– a fullerének képesek antioxidáns vagy oxidálószer tulajdonságait felmutatni. Mint antioxidánsok 100-1000-szeresen haladják meg az összes ismert antioxidáns hatását. Kísérleteket végeztek patkányokon, amelyek olívaolajban fulleréneket etettek. Ugyanakkor a patkányok kétszer annyi ideig éltek, mint általában, ráadásul fokozott ellenállást mutattak a toxikus tényezők hatásaival szemben.

– ~1,5 eV sávszélességű félvezetőés tulajdonságai sok tekintetben hasonlóak más félvezetőkéhez,

– A ligandumként működő C60 fullerének kölcsönhatásba lépnek lúgokkal és néhány más fémmel. Ebben az esetben Me 3 C60 összetételű komplex vegyületek képződnek, amelyek szupravezető tulajdonságokkal rendelkeznek.

A fullerén molekula tulajdonságai*:

* a C60 fullerénhez képest.

Fullerének előállítása:

A fullerének előállításának fő módjai a következők:

— grafitelektródák elégetése elektromos ívben hélium atmoszférában alacsony nyomáson,

- gyógyszerek és gyógyszerek,

– súrlódásos geomodifikátorok,

- kozmetikumok,

– adalékanyagként szintetikus gyémántok nagynyomású módszer. A gyémánthozam 30%-kal nő

Automata rendszer tehenek gépi fejéséhez "Style...

Kvantum számítógép

Elektromos busz dinamikus töltéssel...

Robusztus laptop Elbrus-1C+ processzorral...

Rugalmas kő

FULLERENES – A SZÉN ÚJ ALLOTRÓP FORMÁJA

1. ELMÉLETI RÉSZ

1.1. A szén ismert allotrópjai

Egészen a közelmúltig ismert volt, hogy a szén három allotróp formát alkot: gyémántot, grafitot és karbint. Allotrópia, görögül. Allos - különböző, tropos - ugyanazon elem forgása, tulajdonsága, létezése eltérő tulajdonságú és szerkezetű szerkezetek formájában Jelenleg a szén negyedik allotróp formája ismert, az ún. fullerén (C n többatomos szénmolekulák).

A "fullerene" kifejezés eredete Richard Buckminster Fuller amerikai építész nevéhez fűződik, aki hatszögekből és ötszögekből álló félgömb alakú építészeti struktúrákat tervezett.

A hatvanas évek közepén David Jones zárt szferoid sejteket épített fel sajátosan hajtogatott grafitrétegekből. Kimutatták, hogy az ötszög a közönséges grafit hatszögletű rácsába bevitt hiba lehet, ami összetett ívelt felület kialakulásához vezethet.

A 70-es évek elején E. Osawa szerves fizikai kémikus egy üreges, erősen szimmetrikus C 60 molekula létezését javasolta, amelynek szerkezete egy futballlabdához hasonló csonka ikozaéder formájú. Kicsit később (1973) az orosz tudósok D.A. Bochvar és E.G. Halperin elvégezte az első elméleti kvantumkémiai számításokat egy ilyen molekulával kapcsolatban, és bebizonyította stabilitását.

1985-ben egy tudóscsoportnak: G. Croto (Anglia, Sussexi Egyetem), Heath, 0"Brien, R. F. Curl és R. Smalley (USA, Rice University) sikerült felfedeznie egy fullerén molekulát a grafit tömegspektrumának tanulmányozása során. gőz szilárd minta lézeres besugárzása után.

A szilárd kristályos fullerén előállításának és izolálásának első módszerét 1990-ben W. Kretschmer és D. Huffman és munkatársai javasolták a Heidelbergi Nukleáris Fizikai Intézetben (Németország).

1991-ben Ijima japán tudós egy poláris ionmikroszkóp segítségével először figyelt meg különféle szerkezeteket, amelyek, például a grafit esetében, hattagú széngyűrűkből állnak: nanocsövekből, kúpokból, nanorészecskékből.

1992-ben természetes fulleréneket fedeztek fel a shungit természetes szénásványában (ez az ásvány a karéliai Shunga falu nevéről kapta a nevét).

1997-ben R.E., R.F. Curl és G. Croto megkapta a kémiai Nobel-díjat a csonka ikozaéder alakú C60-as molekulák tanulmányozásáért.

Tekintsük a szén allotróp formáinak szerkezetét: gyémánt, grafit és karbin.

Gyémánt - A gyémántszerkezetben minden szénatom egy tetraéder közepén helyezkedik el, amelynek csúcsai a négy legközelebbi atom. A szomszédos atomok kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz (sp 3 hibridizáció). Ez a szerkezet határozza meg a gyémánt, mint a Földön ismert legkeményebb anyag tulajdonságait.

Grafit széles körben használják az emberi tevékenység legkülönbözőbb területein, a ceruzavezetékek gyártásától az atomreaktorok neutron-moderáló egységéig. A grafit kristályszerkezetében lévő szénatomok erős kovalens kötésekkel (sp 2 - hibridizáció) kapcsolódnak egymáshoz, és hatszögletű gyűrűket alkotnak, amelyek viszont erős és stabil hálózatot alkotnak, hasonlóan a méhsejthez. A rácsok egymás fölött rétegesen helyezkednek el. A szabályos hatszög csúcsaiban elhelyezkedő atomok közötti távolság 0,142 nm, a rétegek között – 0,335 nm. A rétegek gyengén kapcsolódnak egymáshoz. Ez a szerkezet - erős szénrétegek, amelyek gyengén kapcsolódnak egymáshoz, meghatározzák a grafit sajátos tulajdonságait: alacsony keménységet és azt a képességet, hogy könnyen apró pelyhekké váljanak szét.

Carbin A pirografit lézersugárral történő besugárzásakor fehér szénlerakódás formájában lecsapódik a felületen. A karbin kristályos formája szénatomok párhuzamos orientált láncaiból áll, vegyértékelektronok sp-hibridizációjával, egyenes poliin (-C= C-C= C-...) vagy kumulén (=C=C=C=) makromolekulák formájában. ...) típusok .

A szén más formái is ismertek, mint például az amorf szén, a fehér szén (chaoit) stb. De mindezek a formák kompozitok, vagyis grafit és gyémánt kis töredékeinek keveréke.

1.2.A fullerénmolekula és a fullerit kristályrácsának geometriája

3. ábra Fullerén molekula C 6 0

A gyémánttal, grafittal és karbinnal ellentétben a fullerén lényegében a szén új formája. A C 60 molekula ötszörös szimmetriájú fragmentumokat (ötszögeket) tartalmaz, amelyeket a természet tilt a szervetlen vegyületek számára. Ezért fel kell ismerni, hogy a fullerén molekula szerves molekula, és az ilyen molekulák által alkotott kristály ( fullerit) – ez egy molekuláris kristály, amely összekötő kapocs a szerves és szervetlen anyagok között.

A szabályos hatszögek könnyen használhatók sík felület kialakítására, de nem alkothatnak zárt felületet. Ehhez le kell vágni a hatszögletű gyűrűk egy részét, és a vágott részekből ötszögeket kell kialakítani. A fullerénben egy hatszögekből álló lapos hálót (grafithálót) hajtogatnak, és zárt gömbbé varrnak. Ebben az esetben néhány hatszöget ötszögekké alakítanak át. Kialakul egy struktúra - egy csonka ikozaéder, amelynek 10 harmadrendű szimmetriatengelye és hat ötödrendű szimmetriatengelye van. Az ábra minden csúcsának három legközelebbi szomszédja van. Mindegyik hatszöget három hatszög és három ötszög határolja, és minden ötszöget csak hatszög határol. A C 60 molekulák mindegyik szénatomja két hatszög és egy ötszög csúcsaiban található, és alapvetően megkülönböztethetetlen a többi szénatomtól. A gömböt alkotó szénatomok erős kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A gömbhéj vastagsága 0,1 nm, a C 60 molekula sugara 0,357 nm. A C-C kötés hossza ötszögben 0,143 nm, hatszögben 0,139 nm.

A magasabb fullerének C 70 C 74, C 76, C 84, C 164, C 192, C 216 molekulái szintén zárt felületűek.

Fullerének n< 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С 20 .

A fulleritnek nevezett kristályos fullerénnek van egy felületközpontú köbös rácsa (fcc), tércsoportja (Fm3m). A köbös rácsparaméter a 0 = 1,42 nm, a legközelebbi szomszédok távolsága 1 nm. A fullerit fcc-rácsában a legközelebbi szomszédok száma 12.

Egy fullerit kristályban gyenge van der Waals kötés van a C60 molekulák között. Mágneses magrezonancia módszerrel igazoltuk, hogy szobahőmérsékleten C 60 molekula 10 12 1/s frekvenciával forog az egyensúlyi helyzet körül. A hőmérséklet csökkenésével a forgás lelassul. 249 K-en a fulleritben elsőrendű fázisátalakulás figyelhető meg, amelyben az fcc rács (Fm3m tércsoport) egyszerű köbös ráccsá (Ra3 tércsoport) alakul. Ebben az esetben a fulderit térfogata 1% -kal nő. Egy fullerit kristály sűrűsége 1,7 g/cm 3, ami lényegesen kisebb, mint a grafit (2,3 g/cm 3) és a gyémánt (3,5 g/cm) sűrűsége.

A C 60 molekula inert argonatmoszférában 1700 K nagyságrendű hőmérsékletig stabil marad. Oxigén jelenlétében 500 K hőmérsékleten jelentős oxidáció figyelhető meg CO és CO 2 képződésével. Szobahőmérsékleten 0,55 eV energiájú fotonokkal történő besugárzás hatására oxidáció megy végbe. ami lényegesen alacsonyabb a látható fény fotonjainak energiájánál (1,54 eV). Ezért a tiszta fullerit sötétben kell tárolni. A több órán át tartó folyamat a fullerit fcc-rácsának megsemmisüléséhez és egy olyan rendezetlen szerkezet kialakulásához vezet, amelyben 12 oxigénatom van kezdeti Cbo-molekulánként. Ebben az esetben a fullerének teljesen elveszítik alakjukat.

1.3. Fullerének előállítása

A fullerének előállításának leghatékonyabb módja a grafit hőbontásán alapul. A grafitelektróda elektrolitikus melegítését és a grafitfelület lézeres besugárzását egyaránt alkalmazzák. A 4. ábrán V. Kretchmer által alkalmazott fullerének előállítására szolgáló berendezés diagramja látható. A grafit permetezése az elektródákon 60 Hz frekvenciájú áram átvezetésével történik, az áramérték 100-200 A, a feszültség 10-20 V. A rugó feszességének beállításával lehetséges a Győződjön meg arról, hogy a betáplált teljesítmény nagy része az ívben szabadul fel, nem pedig a grafitrúdban. A kamra héliummal van feltöltve, nyomás 100 Torr. A grafit párolgási sebessége ebben a berendezésben elérheti a 10 g/V-ot. Ebben az esetben a rézburkolat vízzel hűtött felületét a grafit párolgási terméke borítja, pl. grafit korom. Ha a kapott port lekaparjuk és több órán át forrásban lévő toluolban tartjuk, sötétbarna folyadékot kapunk. Forgó bepárlóban elpárologtatva finom port kapunk, amelynek tömege nem haladja meg az eredeti grafitkorom tömegének 10 %-át, legfeljebb 10 % fulleréneket tartalmaz C 60 (90 %) és C 70 ( 10%) a fullerének előállítására leírt ívmódszer kapta a nevet "fullerén ív".

A fullerének előállítására leírt eljárásban a hélium puffergáz szerepét tölti be. Más atomokhoz képest a hélium atomok „oltják ki” a leghatékonyabban a gerjesztett széndarabok vibrációs mozgását, megakadályozva, hogy stabil szerkezetekké egyesüljenek. Ezenkívül a hélium atomok elszállítják a széndarabkák egyesülése során felszabaduló energiát. A tapasztalat azt mutatja, hogy az optimális héliumnyomás a 100 Torr tartományban van. Magasabb nyomáson a széndarabok aggregációja nehézkes.

4. ábra. A fullerének előállítására szolgáló telepítés vázlata.

1 – grafitelektródák;

2 – hűtött rézbusz; 3 – réz burkolat,

4 – rugók.

A folyamatparaméterekben és az üzem kialakításában bekövetkezett változások a folyamat hatékonyságának és a termék összetételének változásához vezetnek. A termék minőségét tömegspektrometriás mérésekkel és egyéb módszerekkel (magmágneses rezonancia, elektronparamágneses rezonancia, IR spektroszkópia stb.) egyaránt igazolják.

A fullerének előállítására jelenleg létező módszereket és a különféle fulleréneket előállító berendezéseket G. N. Churilov.

Tisztítási és kimutatási módszerek

A grafit termikus bomlástermékeiből a fullerének (kifejezések: fullerén tartalmú kondenzátum, fullerén tartalmú korom) kinyerésére, valamint a fullerének ezt követő elválasztására és tisztítására a legkényelmesebb és legelterjedtebb módszer a grafit felhasználásán alapul. oldószerek és szorbensek.

Ez a módszer több szakaszból áll. Az első szakaszban a fullerén tartalmú kormot nem poláris oldószerrel dolgozzák fel, amely benzolt, toluolt és más anyagokat használ. Ebben az esetben az ezekben az oldószerekben jelentős oldhatóságú fulleréneket leválasztják az oldhatatlan frakcióról, amelynek tartalma a fulleréntartalmú fázisban általában 70-80%. A fullerének jellemző oldhatósága a szintézisükhöz használt oldatokban néhány tized mólszázalék. Az így kapott fullerének oldatának elpárologtatása fekete polikristályos por képződéséhez vezet, amely különböző típusú fullerének keveréke. Az ilyen termékek tipikus tömegspektruma azt mutatja, hogy a fullerén kivonat 80-90% C60-ból és 10-15% C70-ből áll. Emellett kis mennyiségben (százalékos töredékek szintjén) magasabb szintű fullerének is találhatók, amelyeknek a kivonatból való izolálása meglehetősen összetett technikai probléma. Az egyik oldószerben feloldott fullerén kivonatot egy szorbensen vezetik át, amely lehet alumínium, aktív szén vagy oxidok (Al 2 O 3, SiO 2), amelyek nagy szorpciós jellemzőkkel rendelkeznek. Ez a fém összegyűjti a fulleréneket, majd tiszta oldószerrel extrahálja belőle. Az extrakció hatékonyságát a szorbens-fullerén-oldószer kombináció határozza meg, és általában egy adott szorbens és oldószer alkalmazásakor észrevehetően függ a fullerén típusától. Ezért a fullerént tartalmazó szorbensen átvezetett oldószer váltakozva vonja ki a szorbensből a különböző típusú fulleréneket, amelyek ezáltal könnyen elválaszthatók egymástól. A fullerének elválasztására és tisztítására szolgáló leírt technológia továbbfejlesztése, amely a fulleréntartalmú korom elektromos ívszintézisén, majd ezt követő szorbensek és oldószerek felhasználásával történő elválasztásán alapul, olyan berendezések létrehozásához vezetett, amelyek lehetővé teszik a C 60 szintézisét 60 mennyiségben. egy gramm óránként.

1.4. A fullerének tulajdonságai

A kristályos fullerének és filmek 1,2-1,9 eV sávszélességű félvezetők, és fényvezető képességgel rendelkeznek. Ha látható fénnyel besugározzuk, a fulleritkristály elektromos ellenállása csökken. Nemcsak a tiszta fullerit, hanem annak más anyagokkal alkotott különféle keverékei is rendelkeznek fényvezető képességgel. Azt találták, hogy káliumatomok hozzáadása a C60 filmekhez szupravezetés megjelenéséhez vezet 19 K-en.

A fullerén molekulák, amelyekben a szénatomok egyszeres és kettős kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, az aromás szerkezetek háromdimenziós analógjai. Nagy elektronegativitásuknak köszönhetően erős oxidálószerként működnek a kémiai reakciókban. Különböző kémiai természetű gyököket kötve magukhoz a fullerének különböző fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkező kémiai vegyületek széles osztályát képesek létrehozni. Így a közelmúltban olyan polifullerén filmeket kaptak, amelyekben a C 60 molekulák nem van der Waals révén kapcsolódnak egymáshoz, mint egy fullerit kristályban, hanem kémiai kölcsönhatás útján. Ezek a műanyag tulajdonságokkal rendelkező fóliák új típusú polimer anyagok. Érdekes eredményeket értek el fullerének alapú polimerek szintézisében. Ebben az esetben a fullerén C 60 szolgál a polimer lánc alapjául, és a molekulák közötti kapcsolat benzolgyűrűkkel történik. Ez a szerkezet a „gyöngysor” átvitt nevet kapta.

A platinacsoport fémeit tartalmazó gyökök C 60-hoz való hozzáadása lehetővé teszi fullerén alapú ferromágneses anyagok előállítását. Ma már ismert, hogy a periódusos rendszer elemeinek több mint egyharmada elhelyezhető egy molekulán belül. 60-tól. Vannak jelentések lantán-, nikkel-, nátrium-, kálium-, rubídium-, cézium-, valamint ritkaföldfém-elemek, például terbium, gadolínium és diszprózium atomjainak bejuttatásáról.

A fulleréneken alapuló vegyületek fizikai-kémiai és szerkezeti tulajdonságainak sokfélesége lehetővé teszi, hogy a fullerének kémiájáról, mint a szerves kémia új, ígéretes irányáról beszéljünk.

1.5. Fullerének alkalmazása

Jelenleg a tudományos irodalom tárgyalja a fullerének felhasználását fotodetektorok és optoelektronikai eszközök, növekedési katalizátorok, gyémánt és gyémántszerű filmek, szupravezető anyagok, valamint másológépek színezékeiként. A fulleréneket új tulajdonságokkal rendelkező fémek és ötvözetek szintézisére használják.

A fulleréneket a tervek szerint újratölthető akkumulátorok gyártásának alapjául fogják használni. Ezek az akkumulátorok, amelyek működési elve a hidrogén addíciós reakción alapul, sok tekintetben hasonlítanak a széles körben elterjedt nikkel akkumulátorokhoz, azonban az utóbbiaktól eltérően a fajlagos hidrogén mennyiségének körülbelül ötszörösét képesek tárolni. Ezen túlmenően az ilyen akkumulátorokat a legfejlettebb lítium alapú akkumulátorokhoz képest nagyobb hatékonyság, könnyű súly, valamint környezeti és egészségügyi biztonság jellemzi. Az ilyen elemek széles körben használhatók személyi számítógépek és hallókészülékek táplálására.

A fullerének nempoláris oldószerekben (szén-diszulfidban, toluolban, benzolban, szén-tetrakloridban, dekánban, hexánban, pentánban) készült oldatait nemlineáris optikai tulajdonságok jellemzik, ami különösen az oldat átlátszóságának éles csökkenésében nyilvánul meg. bizonyos feltételek. Ez lehetőséget ad arra, hogy fulleréneket használjunk a lézersugárzás intenzitását korlátozó optikai redőnyök alapjaként.

Felmerül annak a lehetősége, hogy a fulleréneket egy ultra-nagy információsűrűségű adathordozó létrehozásának alapjaként használják fel. A fullerének rakéta-üzemanyagok és kenőanyagok adalékaiként is alkalmazhatók.

Nagy figyelmet fordítanak a fullerének alkalmazásának problémájára az orvostudományban és a farmakológiában. Megvitatják a fullerének radioaktív izotópokkal alkotott vízoldható endoédervegyületein alapuló rákellenes gyógyszerek létrehozásának ötletét. ( Az endoéder vegyületek olyan fullerénmolekulák, amelyek egy vagy több atomot tartalmaznak bármely elemből. Megtalálták a feltételeket a fulleréneken alapuló vírus- és rákellenes gyógyszerek szintéziséhez. E problémák megoldásának egyik nehézsége a vízben oldódó, nem toxikus fullerénvegyületek létrehozása, amelyek bejuthatnak az emberi szervezetbe, és vérrel eljuttathatók a terápiás hatásnak kitett szervbe.

A fullerének felhasználását nehezíti a magas költségük, amely a fullerénkeverék előállítása és az egyes komponensek abból való elkülönítéséből áll.

1.6.Szén nanocsövek

A nanocsövek szerkezete

A gömb alakú szénszerkezetek mellett kialakulhatnak kiterjesztett hengeres szerkezetek, úgynevezett nanocsövek is, amelyek a fizikokémiai tulajdonságok széles skálájával tűnnek ki.

Ideális nanocső egy hengerré hengerelt grafitsík, azaz. szabályos hatszögekkel bélelt felület, melynek csúcsaiban szénatomok helyezkednek el..).

A hatszög koordinátáit jelző paramétert, amelynek a sík összehajtása következtében egybe kell esnie a koordináták origójában található hatszöggel, a nanocső kiralitásának nevezzük, és szimbólumkészlettel (m, n) jelöljük. ). A nanocső kiralitása határozza meg elektromos jellemzőit.

Amint az elektronmikroszkóppal végzett megfigyelések kimutatták, a legtöbb nanocső több grafitrétegből áll, amelyek egymásba vannak ágyazva, vagy egy közös tengelyre vannak feltekerve.

Egyfalú nanocsövek

Tovább rizs. 4 Bemutatjuk egy egyfalú nanocső idealizált modelljét. Egy ilyen cső félgömb alakú csúcsokkal végződik, amelyek tartalmazzák, együtt

szabályos hatszögekkel, szintén hat szabályos ötszöggel. Az ötszögek jelenléte a csövek végén lehetővé teszi, hogy azokat a fullerénmolekulák korlátozó esetének tekintsük, amelyek hossztengelyének hossza jelentősen meghaladja átmérőjüket.

A kísérletileg megfigyelt egyfalú nanocsövek szerkezete sok tekintetben eltér a fent bemutatott idealizált képtől. Ez mindenekelőtt a nanocső csúcsaira vonatkozik, amelyek alakja – a megfigyelésekből következően – messze nem ideális félgömb.

Többfalú nanocsövek

A többfalú nanocsövek hossz- és keresztirányban is sokkal szélesebb alakban és konfigurációban különböznek az egyfalú nanocsövektől. A többfalú nanocsövek keresztirányú szerkezetének lehetséges változatait mutatjuk be rizs. 5. Az „orosz babák” típusú szerkezet egyfalú nanocsövek gyűjteménye, amelyek koaxiálisan egymásba vannak ágyazva (rizs 5 a). Ennek a szerkezetnek egy másik változata, amely az alábbi ábrán látható rizs. Az 5b. ábra egymásba ágyazott koaxiális prizmák gyűjteménye. Végül a megadott szerkezetek közül az utolsó ( rizs. 5 c), tekercshez hasonlít. Az összes fenti szerkezet esetében a szomszédos grafitrétegek közötti távolság közel 0,34 nm, azaz. a kristályos grafit szomszédos síkjai közötti távolság. Egy adott szerkezet megvalósítása egy adott kísérleti helyzetben a nanocsövek szintézisének feltételeitől függ.

Figyelembe kell venni, hogy a nanocsövek idealizált keresztirányú szerkezete, amelyben a szomszédos rétegek távolsága közel 0,34 nm, és nem függ az axiális koordinátától, a gyakorlatban a szomszédos nanocsövek zavaró hatása miatt torzul.

A hibák jelenléte a nanocső egyenes vonalú alakjának torzulásához is vezet, és harmonika alakot ad.

A többfalú nanocsövek grafitfelületén gyakran megfigyelhető hibák egy másik típusa bizonyos számú ötszög vagy hétszög bevezetésével jár a felületbe, amely túlnyomórészt szabályos hatszögekből áll. Ez a hengeres forma megsértéséhez vezet, az ötszög bevezetése domború hajlítást okoz, míg a hétszög bevezetése elősegíti a konkáv hajlat megjelenését. Így az ilyen hibák ívelt és spirális nanocsöveket eredményeznek.

Nanorészecske szerkezet

A fullerének grafitból történő képződése során nanorészecskék is keletkeznek. Ezek a fullerénekhez hasonló, de lényegesen nagyobb méretű zárt szerkezetek. A fullerénekkel ellentétben ezek a nanocsövekhez hasonlóan több réteget is tartalmazhatnak, egymásba ágyazott, zárt grafithéj szerkezetűek.

A nanorészecskékben a grafithoz hasonlóan a héj belsejében lévő atomokat kémiai kötések kötik össze, és a szomszédos héjak atomjai között gyenge van der Waals kölcsönhatás működik. A nanorészecskék héja általában poliéderhez közeli alakkal rendelkezik. Minden ilyen héj szerkezetében a hatszögek mellett, mint a grafit szerkezetében, további 12 ötszög és hétszög található. Nemrég Jarkov S.M., Kashkin V.B. munkáiban elektronmikroszkópos vizsgálatot végeztek fulleréntartalmú kondenzátumban lévő szénrészecskék alakjáról és szerkezetéről.

Szén nanocsövek előállítása

A szén nanocsövek egy grafitelektróda termikus porlasztásával jönnek létre hélium atmoszférában égő ívkisüléses plazmában. Ez a módszer a fullerének hatékony előállításának technológiáját megalapozó lézeres porlasztásos módszerhez hasonlóan lehetővé teszi nanocsövek fizikai-kémiai tulajdonságaik részletes vizsgálatához elegendő mennyiségben történő előállítását.

Nanocsövet nyerhetünk kinyújtott grafitdarabokból, amelyeket aztán csővé csavarnak. A kiterjesztett töredékek kialakításához speciális melegítési feltételek szükségesek a grafithoz. A nanocsövek előállításának optimális feltételeit ívkisülésben valósítják meg, elektródaként elektrolízises grafitot használva.

A grafit termikus porlasztásának különféle termékei (fullerének, nanorészecskék, koromszemcsék) egy kis része (több százaléka) többfalú nanocsövek, amelyek részben az installáció hideg felületeihez kapcsolódnak, és részben a felületre rakódnak le a felületre. korom.

Az egyfalú nanocsövek úgy jönnek létre, hogy egy kis mennyiségű Fe, Co, Ni, Cd szennyeződést adnak az anódhoz (azaz katalizátorok hozzáadásával). Ezenkívül egyfalú nanocsöveket többfalú nanocsövek oxidációjával állítanak elő. Az oxidáció érdekében a többfalú nanocsöveket mérsékelt hevítés mellett oxigénnel, vagy forrásban lévő salétromsavval kezelik, és ez utóbbi esetben eltávolítják az öttagú grafitgyűrűket, ami a csövek végeinek felnyílásához vezet távolítsa el a felső rétegeket a többrétegű csőről, és nyissa ki a végeit. Mivel a nanorészecskék reaktivitása nagyobb, mint a nanocsöveké, az oxidáció következtében a széntermék jelentős tönkremenetelével a fennmaradó részben megnő a nanocsövek aránya.

A fullerének előállítására szolgáló elektromos íves módszerrel a grafit anódív hatására megsemmisülő anyag egy része a katódon rakódik le. A grafitrúd megsemmisítési folyamatának végére ez a formáció annyira megnő, hogy az ív teljes területét lefedi. Ez a növekedés egy tál alakú, amelynek térfogatába az anód kerül. A katód felépítésének fizikai jellemzői nagyon eltérnek az anódot alkotó grafit jellemzőitől. A felhalmozódás mikrokeménysége 5,95 GPa (grafit -0,22 GPa), a felhalmozódás sűrűsége 1,32 g/cm 3 (grafit -2,3 g/cm 3), a felhalmozódás fajlagos elektromos ellenállása 1,4 * 10 -4 Ohm m, ami majdnem egy nagyságrenddel nagyobb, mint a grafité (1,5*10 -5 Ohm m). 35 K-en a katódon a növekedés rendellenesen nagy mágneses szuszceptibilitását fedezték fel, ami arra utalt, hogy a növekedés főleg nanocsövekből áll (Belov N.N.).

A nanocsövek tulajdonságai

A nanocsövek anyagtudományi felhasználásának széles távlatai nyílnak meg, amikor szupravezető kristályokat (például TaC) kapszuláznak a szén nanocsövekbe. A következő technológiát ismerteti a szakirodalom. ~30 A-es egyenáramú ívkisülést alkalmaztunk 30 V feszültség mellett hélium atmoszférában, talliumpor és grafit pigment sűrített keverékét képviselő elektródákkal. Az elektródák közötti távolság 2-3 mm volt. Alagút elektronmikroszkóp segítségével jelentős mennyiségű nanocsövekbe burkolt TaC kristályt fedeztek fel az elektród anyagának hőbomlási termékeiben. x A krisztallitok jellemző keresztirányú mérete körülbelül 7 nm, a nanocsövek jellemző hossza több mint 200 nm. A nanocsövek többrétegű hengerek voltak, a rétegek közötti távolság 0,3481 ± 0,0009 nm, ami közel áll a grafit megfelelő paraméteréhez. A minták mágneses szuszceptibilitása hőmérsékletfüggésének mérése azt mutatta, hogy a kapszulázott nanokristályokszupravezető állapot T=10 K-nél.

A nanocsövekbe burkolt szupravezető kristályok előállítási lehetősége lehetővé teszi azok elkülönítését a külső környezet káros hatásaitól, például az oxidációtól, ezáltal utat nyit a releváns nanotechnológiák hatékonyabb fejlesztése előtt.

A nanocsövek nagy negatív mágneses szuszceptibilitása jelzi diamágneses tulajdonságaikat. Feltételezzük, hogy a nanocsövek diamágnesességét a kerületük körüli elektronáramok áramlása okozza. A mágneses szuszceptibilitás nagysága nem függ a minta orientációjától, ami annak rendezetlen szerkezetéhez kapcsolódik. A mágneses szuszceptibilitás viszonylag nagy értéke azt jelzi, hogy ez az érték legalább az egyik irányban összevethető a grafit megfelelő értékével. A nanocsövek mágneses szuszceptibilitásának hőmérséklet-függésének különbsége a szén más formáira vonatkozó megfelelő adatoktól azt jelzi, hogy a szén nanocsövek a szén különálló, független formája, amelynek tulajdonságai alapvetően eltérnek más állapotú szén tulajdonságaitól..

Nanocsövek alkalmazásai

A nanocsövek számos technológiai alkalmazásának alapja a nagy fajlagos felület (egyfalú nanocső esetén kb. 600 nm/1/g), ami lehetőséget ad porózus anyagként való felhasználásukra. szűrőkben stb.

A nanocsövek anyaga sikeresen alkalmazható a heterogén katalízis hordozójaként, és a nyitott nanocsövek katalitikus aktivitása jelentősen meghaladja a zárt nanocsövek megfelelő paraméterét.

Lehetőség van nagy fajlagos felületű nanocsövek felhasználására nagy fajlagos teljesítményű elektrolitkondenzátorok elektródájaként.

A szén nanocsövek jól beváltak a gyémántfilm kialakulását elősegítő bevonatként használt kísérletekben. Amint azt az elektronmikroszkóppal készített fényképek mutatják, a nanocső filmre felvitt gyémántfilm a magok sűrűsége és egyenletessége szempontjából jobban különbözik a C 60 és C 70 felületekre felvitt filmtől.

A nanocső olyan tulajdonságai, mint a kis mérete, amely jelentősen változik a szintézis körülményeitől, az elektromos vezetőképességtől, A mechanikai szilárdság és a kémiai stabilitás lehetővé teszi, hogy a nanocsövet a jövőbeni mikroelektronikai elemek alapjaként tekintsük. Számításokkal bebizonyosodott, hogy egy ötszög-hétszög pár ideális nanocső szerkezetbe való beépítése hibaként megváltoztatja annak elektronikai tulajdonságait. A benne beágyazott hibával rendelkező nanocső fém-félvezető heterojunkciónak tekinthető, amely elvileg rekord kis méretű félvezető elem alapját képezheti.

A nanocsövek alapjául szolgálhatnak rendkívül vékony mérőműszereknek, amelyek az elektronikus áramkörök felületi egyenetlenségeinek megfigyelésére szolgálnak.

Érdekes alkalmazások érhetők el a nanocsövekkel, ha különféle anyagokkal töltik meg. Ebben az esetben a nanocső egyaránt használható az azt kitöltő anyag hordozójaként, és szigetelő héjként, amely megvédi ezt az anyagot az elektromos érintkezéstől vagy a környező tárgyakkal való kémiai kölcsönhatástól.

KÖVETKEZTETÉS

Bár a fullerének rövid története van, a tudomány ezen területe gyorsan fejlődik, és egyre több új kutatót vonz. Ez a tudományterület három területet foglal magában: fullerén fizika, fullerén kémia és fullerén technológia.

A fullerének fizikája a fullerének és vegyületeik szerkezeti, mechanikai, elektromos, mágneses, optikai tulajdonságainak tanulmányozásával foglalkozik különböző fázisállapotokban. Ez magában foglalja ezen vegyületek szénatomjai közötti kölcsönhatás természetének, a fullerénmolekulák spektroszkópiájának, a fullerénmolekulákból álló rendszerek tulajdonságainak és szerkezetének vizsgálatát is. A fullerének fizika a legfejlettebb ága a fullerének területén.

Fullerének kémiája zárt szénmolekulákon alapuló új kémiai vegyületek létrehozásához és tanulmányozásához kapcsolódik, valamint tanulmányozza azokat a kémiai folyamatokat, amelyekben részt vesznek. Megjegyzendő, hogy a kémiának ez az ága a fogalmakat és a kutatási módszereket tekintve sok tekintetben alapvetően különbözik a hagyományos kémiától.

Fullerén technológia magában foglalja mind a fullerének előállítására szolgáló módszereket, mind azok különféle alkalmazási lehetőségeit.

BIBLIOGRÁFIA

1. Sokolov V. I., Stankevich I. V. A fullerének a szén új allotróp formái: szerkezet, elektronszerkezet és kémiai tulajdonságok // Advances in Chemistry, v. 62 (5), 455, 1993.

2. Új irányok a fullerén kutatásában//UFN, v. 164 (9), p. 1007, 1994.

3. Eletsky A.V., Smirnov B.M. Fullerének és szénszerkezetek//UFN, v. 165 (9), 977, 1995.

4. Zolotukhin I.V. A fullerit a szén új formája // Coolant No. 2, 51, 1996.

5. Masters V.F. A fullerének fizikai tulajdonságai // SOZh 1. sz., 92. o., 1997.

6. Lozovik Yu.V., Popov A.M. Szén nanostruktúrák kialakulása és növekedése – fullerének, nanorészecskék, nanocsövek és kúpok//UFN, v. 167 (7), p. 151, 1997/

7. Eletsky A.V. .Carbon nanotubes//UFN, v. 167(9), 945, 1997.

8. Smalley R.E. A fullerének felfedezése//UFN, v. 168 (3), 323, 1998.

9. Churilov G.N. A fullerének előállításának módszereinek áttekintése // A nemzetközi részvétellel zajló 2. interregionális konferencia anyagai „Ultradisperse pors, nanostructures, materials”, Krasznojarszk, KSTU, 1999. október 5-7. Val vel. 77-87.

10. Belov N.N. és mások A fullerének szintézise során kialakuló katódfelszín szerkezete // Aerosols vol. 4f, N1, 1998 pp. 25-29

11. Jarkov S.M.,. Titarenko Ya.N., Churilov G.N. Elektron mikroszkópos vizsgálat az FCC szénrészecskékről // Carbon, v. 36, N 5-6, 1998, p. 595-597

12. Kashkin V.B., Rubleva T.V., Kashkina L.V., Mosin R.A. Szénrészecskék elektronmikroszkópos képeinek digitális feldolgozása fullerén tartalmú koromban // A nemzetközi részvételű 2. interregionális konferencia anyagai „Ultradisperse pors, nanostructures, materials”, Krasnoyarsk, KSTU, 1999. október 5-7. Val vel. 91-92

Fullerén C 60

Fullerén C 540

Fullerének, buckyballs vagy buckyballs- a szén allotróp formáinak osztályába tartozó molekuláris vegyületek (egyéb a gyémánt, a karabin és a grafit), és konvex zárt poliéderek, amelyek páros számú trikoordinált szénatomból állnak. Ezek a kapcsolatok Richard Buckminster Fuller mérnöknek és tervezőnek köszönhetik nevüket, akinek geodéziai szerkezetei ezen az elven épültek. Kezdetben a vegyületek ezen osztálya csak ötszögletű és hatszögletű felületeket tartalmazó szerkezetekre korlátozódott. Vegyük észre, hogy egy ilyen zárt poliéder létezéséhez, amely a n csak ötszögletű és hatszögletű lapokat képező csúcsok, az egyenlőség érvényességét kimondó Euler poliéder tétele szerint | n | − | e | + | f | = 2 (ahol | n | , | e| és | f| sorrendben a csúcsok, élek és lapok száma), szükséges feltétel pontosan 12 ötszögletű lap és n/ 2 − 10 hatszögletű lap. Ha egy fullerénmolekula összetétele a szénatomokon kívül más kémiai elemek atomjait is tartalmazza, akkor ha más kémiai elemek atomjai a szénkereten belül helyezkednek el, az ilyen fulleréneket endoédernek, ha kívülről - exoédernek nevezzük.

A fullerének felfedezésének története

A fullerének szerkezeti tulajdonságai

A fullerén molekulákban a szénatomok szabályos hatszögek és ötszögek csúcsaiban helyezkednek el, amelyek egy gömb vagy ellipszoid felületét alkotják. A fulleréncsalád legszimmetrikusabb és legteljesebben tanulmányozott tagja a fullerén (C 60), amelyben a szénatomok 20 hatszögből és 12 ötszögből álló csonka ikozaédert alkotnak, amely futballlabdára emlékeztet. Mivel a C 60 fullerén minden szénatomja egyidejűleg két hatszöghez és egy ötszöghöz tartozik, a C 60 összes atomja egyenértékű, amit a 13 C izotóp mágneses magrezonancia (NMR) spektruma is megerősít - csak egy vonalat tartalmaz. Azonban nem minden C-C kötés azonos hosszúságú. A C=C kötés, amely a két hatszög közös oldala, 1,39 Å, a hatszög és ötszög közös C-C kötése pedig hosszabb, és egyenlő 1,44 Å. Ezenkívül az első típusú kötés kettős, a második pedig egyszeres, ami elengedhetetlen a fullerén C60 kémiájához.

A következő legelterjedtebb a C 70 fullerén, amely abban különbözik a C 60 fulleréntől, hogy a C 60 egyenlítői tartományába 10 szénatomos övet szúrnak be, aminek következtében a C 70 molekula megnyúlik és rögbilabdára hasonlít. alak.

A nagyobb számú (legfeljebb 400) szénatomot tartalmazó, úgynevezett magasabb fullerének sokkal kisebb mennyiségben keletkeznek, és gyakran meglehetősen összetett izomer összetételűek. A legtöbbet vizsgált magasabb fullerének közül kiemelhetjük a C n , n=74, 76, 78, 80, 82 és 84.

Fullerén szintézis

Az első fulleréneket szilárd grafitminták lézeres besugárzásával nyert kondenzált grafitgőzökből izolálták. Valójában ezek az anyag nyomai voltak. A következő fontos lépést 1990-ben tették meg W. Kretschmer, Lamb, D. Huffman és mások, akik kidolgoztak egy módszert grammos fullerének előállítására grafitelektródák elektromos ívben történő égetésével hélium atmoszférában alacsony nyomáson. . Az anód eróziója során bizonyos mennyiségű fullerént tartalmazó korom telepedett meg a kamra falán. Ezt követően lehetőség nyílt az elektródák párologtatásának optimális paramétereinek kiválasztására (nyomás, légköri összetétel, áramerősség, elektródák átmérője), amelyeknél a legmagasabb fullerének hozam érhető el, az anód anyagának átlagosan 3-12%-a. végső soron meghatározza a fullerének magas költségét.

Eleinte a kísérletezők minden próbálkozása, hogy olcsóbb és termelékenyebb módszereket találjanak grammos mennyiségű fullerének előállítására (szénhidrogének lángban égetése, kémiai szintézis stb.), nem vezetett sikerre, és az „íves” módszer maradt a legtermékenyebb a világon. hosszú ideig (termelékenység kb. 1 g/óra) . Ezt követően a Mitsubishinek sikerült létrehoznia a fullerének ipari előállítását szénhidrogének elégetésével, de ezek a fullerének oxigént tartalmaznak, ezért az íves módszer továbbra is az egyetlen alkalmas módszer a tiszta fullerének előállítására.

A fullerének ívben történő képződésének mechanizmusa továbbra is tisztázatlan, mivel az ív égési tartományában végbemenő folyamatok termodinamikailag instabilak, ami nagymértékben megnehezíti az elméleti mérlegelést. Csak azt lehetett cáfolhatatlanul megállapítani, hogy a fullerén egyes szénatomokból (vagy C2-fragmensekből) áll össze. A bizonyításhoz anódelektródaként nagy tisztaságú 13 C-os grafitot használtunk, a másik elektródát közönséges 12 C-os grafitból készítettük. Fullerének kivonása után NMR-vizsgálattal kimutattuk, hogy a 12 C és 13 C atomok véletlenszerűen helyezkednek el a felületen. a fullerénből. Ez azt jelzi, hogy a grafitanyag egyedi atomokra vagy atomi szintű töredékekre bomlik, majd ezek fullerénmolekulává állnak össze. Ez a körülmény arra késztetett bennünket, hogy feladjuk a fullerének képződését az atomi grafitrétegek zárt gömbökké való gyűrődése következtében.

A fullerének előállítására szolgáló berendezések teljes számának viszonylag gyors növekedése és a tisztítási módszereik javítására irányuló folyamatos munka a C 60 költségének jelentős csökkenéséhez vezetett az elmúlt 17 évben - grammonként 10 000 dollárról 10-15 dollárra. valódi ipari felhasználásig juttatta őket.

Sajnos a Huffman-Kretschmer (HK) módszer optimalizálása ellenére a fullerének hozamát az elégetett grafit össztömegének 10-20%-ánál nagyobb mértékben nem lehet növelni. Ha figyelembe vesszük a kezdeti termék - grafit - viszonylag magas költségét, világossá válik, hogy ennek a módszernek alapvető korlátai vannak. Sok kutató úgy véli, hogy a kémiai kristályosítási módszerrel előállított fullerének költségét nem lehet grammonként néhány dollár alá csökkenteni. Ezért számos kutatócsoport erőfeszítései arra irányulnak, hogy alternatív módszereket találjanak fullerének előállítására. Ezen a területen a legnagyobb sikert a Mitsubishi cég érte el, amelynek, mint fentebb említettük, szénhidrogének lángban égetésével sikerült megvalósítania a fullerének ipari előállítását. Az ilyen fullerének ára körülbelül 5 USD/gramm (2005), ami semmilyen módon nem befolyásolta az elektromos ív fullerének költségeit.

Meg kell jegyezni, hogy a fullerének magas költségét nemcsak a grafitégetéskor elért alacsony hozamuk határozza meg, hanem a fullerének különböző tömegű koromtól való elkülönítésének, tisztításának és elkülönítésének nehézsége is. A szokásos megközelítés a következő: a grafit elégetésével nyert kormot toluollal vagy más szerves oldószerrel (amely képes hatékonyan oldani a fulleréneket) összekeverni, majd a keveréket szűrni vagy centrifugálni, a maradék oldatot bepároljuk. Az oldószer eltávolítása után sötét, finom kristályos csapadék marad vissza - fullerének keveréke, amelyet általában fulleritnek neveznek. A fullerit összetétele különböző kristályos képződményeket tartalmaz: C 60 és C 70 molekulákból álló kis kristályok és C 60 / C 70 kristályok, amelyek szilárd oldatok. Ezenkívül a fullerit mindig tartalmaz kis mennyiségű magasabb fulleréneket (legfeljebb 3%). A fullerének keverékének egyedi molekulafrakciókra történő szétválasztását oszlopos folyadékkromatográfiával és nagynyomású folyadékkromatográfiával (HPLC) végezzük. Ez utóbbit elsősorban az izolált fullerének tisztaságának elemzésére használják, mivel a HPLC módszer analitikai érzékenysége nagyon magas (akár 0,01%). Végül az utolsó lépés az oldószer maradékok eltávolítása a szilárd fullerén mintából. Ezt úgy végezzük, hogy a mintát 150-250 o C hőmérsékleten, dinamikus vákuum körülmények között (kb. 0,1 torr) tartjuk.

A fullerének fizikai tulajdonságai és alkalmazott jelentősége

Fulleriták

A fullerén molekulákból álló kondenzált rendszereket fulleriteknek nevezzük. A legtöbbet vizsgált ilyen rendszer a C 60 kristály, kevésbé a kristályos C 70 rendszer. A magasabb fullerének kristályainak vizsgálatát előállításuk bonyolultsága nehezíti. A fullerén molekulában a szénatomok σ- és π-kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, míg a kristályban az egyes fullerénmolekulák között nincs kémiai kötés (a szó szokásos értelmében). Ezért egy kondenzált rendszerben az egyes molekulák megőrzik egyéniségüket (ami fontos, ha figyelembe vesszük a kristály elektronszerkezetét). A molekulákat van der Waals erők tartják a kristályban, nagymértékben meghatározva a szilárd C60 makroszkopikus tulajdonságait.

Szobahőmérsékleten a C 60 kristály 1,415 nm rácsállandójú, arcközpontú köbös (fcc) ráccsal rendelkezik, de a hőmérséklet csökkenésével elsőrendű fázisátalakulás következik be (T cr ≈260 K) és a C 60 kristály szerkezetét egyszerű köbössé változtatja (rácsállandó 1,411 nm). T > Tcr hőmérsékleten a C60 molekulák kaotikusan forognak egyensúlyi középpontjuk körül, és amikor ez a hőmérséklet egy kritikus hőmérsékletre csökken, a két forgástengely megfagy. A forgások teljes lefagyása 165 K-en megy végbe. A munka során részletesen tanulmányoztuk a C 70 kristályszerkezetét szobahőmérséklet nagyságrendű hőmérsékleten. Amint ennek a munkának az eredményeiből az következik, az ilyen típusú kristályoknak testközpontú (bcc) rácsuk van, amelyhez a hatszögletű fázis kis keveréke is van.

A fullerének nemlineáris optikai tulajdonságai

A fullerének elektronszerkezetének elemzése kimutatja a π-elektron rendszerek jelenlétét, amelyekre nagy a nemlineáris szuszceptibilitás értéke. A fullerének valóban nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A C 60 molekula nagy szimmetriája miatt azonban a második harmonikus létrehozása csak akkor lehetséges, ha aszimmetriát viszünk be a rendszerbe (például külső elektromos tér hatására). Gyakorlati szempontból vonzó a nagy működési sebesség (~250 ps), amely meghatározza a második harmonikus generáció elnyomását. Ezenkívül a C 60 fullerének képesek a harmadik harmonikus létrehozására.

A fullerének és mindenekelőtt a C 60 másik valószínű felhasználási területe az optikai redőnyök. Kísérletileg igazolták ennek az anyagnak a lehetőségét 532 nm hullámhosszon. A rövid válaszidő lehetővé teszi fullerének lézersugárzás-korlátozóként és Q-kapcsolóként történő használatát. Számos okból azonban a fullerének itt nehezen vehetik fel a versenyt a hagyományos anyagokkal. A magas költségek, a fullerének poharakban való diszpergálásának nehézségei, a levegőben történő gyors oxidáció képessége, messze a rekord nemlineáris érzékenységi együtthatótól, valamint az optikai sugárzás korlátozásának magas küszöbértéke (nem alkalmas szemvédelemre) komoly nehézségeket okoz a versengő anyagok elleni küzdelemben.

Kvantummechanika és fullerén

hidratált fullerén (HyFn (C60 @(H2O)n);

Vizes oldat C 60 HyFn

A hidratált fullerén C 60 - C 60 HyFn egy erős, hidrofil szupramolekuláris komplex, amely az első hidratációs héjba zárt fullerén C 60 molekulából áll, amely 24 vízmolekulát tartalmaz: C 60 @(H 2 O) 24. A hidratációs héj a vízmolekulák magányos oxigénelektron-párjainak donor-akceptor kölcsönhatása következtében jön létre a fullerén felületén lévő elektron-akceptor központokkal. Ugyanakkor a fullerén felszín közelében elhelyezkedő vízmolekulákat egy háromdimenziós hidrogénkötés-hálózat köti össze. A C 60 HyFn mérete 1,6-1,8 nm-nek felel meg. Jelenleg a vízben keletkezett C60 maximális koncentrációja C60 HyFn formájában 4 mg/ml-nek felel meg. A jobb oldalon C 60 HyFn 0,22 mg/ml koncentrációjú C 60 vizes oldatának fényképe.

Fullerén, mint anyag a félvezető technológiához

A fullerén molekulakristály ~1,5 eV sávszélességű félvezető, és tulajdonságai sok tekintetben hasonlóak a többi félvezetőéhez. Ezért számos tanulmány foglalkozott a fullerének új anyagként való felhasználásával hagyományos elektronikai alkalmazásokban: dióda, tranzisztor, fotocella stb. Itt előnyük a hagyományos szilíciummal szemben a rövid fotoválaszidő (ns egység). Jelentős hátrány azonban az oxigén hatása a fullerén fóliák vezetőképességére, és ennek következtében felmerült a védőbevonatok szükségessége. Ebben az értelemben ígéretesebb a fullerén molekula önálló nanoméretű eszközként és különösen erősítő elemként történő alkalmazása.

Fullerén, mint fotoreziszt

Látható (> 2 eV), ultraibolya és rövidebb hullámhosszú sugárzás hatására a fullerének polimerizálódnak, és ebben a formában nem oldódnak szerves oldószerekben. A fullerén fotoreziszt használatának szemléltetésére példát hozhatunk a szubmikronos felbontás (≈20 nm) elérésére, amikor a szilíciumot elektronsugárral maratjuk polimerizált C 60 filmből készült maszk segítségével.

Fullerén adalékok gyémánt fóliák CVD-vel történő növekedéséhez

Egy másik érdekes gyakorlati alkalmazási lehetőség a fullerén adalékok alkalmazása gyémántfilmek növesztésénél CVD (Chemical Vapor Deposition) módszerrel. A fullerének gázfázisba bevitele két szempontból hatásos: növeli a gyémánt magok képződési sebességét a hordozón, és építőelemeket szállít a gázfázisból a hordozóba. Az építőelemek C2-es töredékek, amelyek alkalmasnak bizonyultak egy gyémántfilm növekedéséhez. Kísérletileg kimutatták, hogy a gyémántfilmek növekedési sebessége eléri a 0,6 μm/óra értéket, ami 5-ször nagyobb, mint fullerének alkalmazása nélkül. A gyémántok és más félvezetők közötti valódi versenyhez a mikroelektronikában ki kell dolgozni egy módszert a gyémántfilmek heteroepitaxiájára, de az egykristályos filmek növekedése nem gyémánt hordozókon továbbra is megoldhatatlan probléma. A probléma megoldásának egyik lehetséges módja a fullerének pufferrétegének alkalmazása a hordozó és a gyémántfilm között. Az ilyen irányú kutatások előfeltétele a fullerének jó tapadása a legtöbb anyaghoz. A fenti rendelkezések különösen fontosak a gyémántokkal kapcsolatos intenzív kutatások kapcsán, amelyek a következő generációs mikroelektronikában való felhasználásukat célozzák. Nagy teljesítmény (nagy telített sodródási sebesség); A többi ismert anyaghoz képest a maximális hővezető képesség és a vegyszerállóság a gyémántot ígéretes anyaggá teszi a következő generációs elektronika számára.

Szupravezető vegyületek C 60 tartalommal

A fullerének molekuláris kristályai félvezetők, de 1991 elején kiderült, hogy a szilárd C60 kis mennyiségű alkálifém adalékolása fémes vezetőképességű anyag képződéséhez vezet, amely alacsony hőmérsékleten szupravezetővé válik. A C 60-nal történő ötvözést a kristályok fémgőzzel való kezelésével hajtják végre több száz Celsius fokos hőmérsékleten. Ilyenkor X 3 C 60 típusú szerkezet alakul ki (X alkálifém atom). Az első interkalált fém a kálium volt. A K 3 C 60 vegyület szupravezető állapotba való átmenete 19 K hőmérsékleten megy végbe. Ez rekordérték a molekuláris szupravezetők esetében. Hamar kiderült, hogy sok, X 3 C 60 vagy XY 2 C 60 arányban alkálifém atomokkal adalékolt fullerit (X, Y alkálifém atomok) rendelkezik szupravezető képességgel. Az ilyen típusú magas hőmérsékletű szupravezetők (HTSC) között a rekorder az RbCs 2 C 60 volt - ennek Tcr = 33 K.

Kis mennyiségű fullerén korom hatása a PTFE súrlódás- és kopásgátló tulajdonságaira

Meg kell jegyezni, hogy a fullerén C 60 jelenléte az ásványi kenőanyagokban 100 nm vastagságú fullerén védőréteg kialakulását indítja el az ellentestek felületén. A kialakult film véd a termikus és oxidatív roncsolódás ellen, 3-8-szorosára növeli a súrlódó egységek élettartamát vészhelyzetben, a kenőanyagok hőstabilitását 400-500ºС-ig, a súrlódó egységek teherbírását pedig 2-3-szorosára növeli, 1,5-2-szeresére növeli a súrlódó egységek üzemi nyomástartományát, csökkenti az ellentestek befutási idejét.

A fullerének egyéb alkalmazásai

További érdekes alkalmazások közé tartoznak az akkumulátorok és az elektromos akkumulátorok, amelyek ilyen vagy olyan módon fullerén adalékokat használnak. Ezeknek az akkumulátoroknak az alapja interkalált fulleréneket tartalmazó lítium katódok. A fullerének adalékanyagként is felhasználhatók mesterséges gyémántok nagynyomású módszerrel történő előállításához. Ebben az esetben a gyémánthozam ≈30%-kal nő. A fullerének a gyógyszerészetben is felhasználhatók új gyógyszerek létrehozására. Ezenkívül a fullerének adalékanyagként is alkalmazhatók duzzadó (duzzadó) tűzálló festékekben. A fullerének bejuttatása miatt a festék tűz során a hőmérséklet hatására megduzzad, elég sűrű habkoksz réteget képezve, ami a védett szerkezetek felfűtési idejét többszörösére növeli a kritikus hőmérsékletre. A fulleréneket és különféle kémiai származékaikat polikonjugált félvezető polimerekkel kombinálva használják napelemek gyártásához.

A fullerének kémiai tulajdonságai

Fullerének, a hidrogénatomok hiánya ellenére, amelyek helyettesíthetők, mint a közönségesek

A szén molekuláris formája vagy allotróp módosulata, a fullerén C n (n > 20) atomklaszterek hosszú sorozata, amelyek konvex, zárt poliéderek, szénatomokból épülnek fel, és öt- vagy hatszögletű felülettel rendelkeznek (itt nagyon ritka kivételek vannak). ). A szubsztituálatlan fullerének szénatomjai általában 3-as koordinációs számmal sp 2 hibrid állapotban vannak. Ily módon gömb alakú konjugált telítetlen rendszer jön létre a vegyértékkötések elmélete szerint.

Általános leírása

Normál körülmények között a szén termodinamikailag legstabilabb formája a grafit, amely úgy néz ki, mint egy halom grafénlapok, amelyek alig kapcsolódnak egymáshoz: lapos rácsok, amelyek hatszögletű cellákból állnak, amelyek tetején szénatomok találhatók. Mindegyik három szomszédos atomhoz kapcsolódik, és a negyedik vegyértékelektron pi-rendszert alkot. Ez azt jelenti, hogy a fullerén éppen egy ilyen molekulaforma, vagyis nyilvánvaló az sp 2 hibrid állapot képe. Ha geometriai hibákat viszünk be egy grafénlapba, akkor elkerülhetetlenül zárt szerkezet alakul ki. Ilyen hibák például az öttagú ciklusok (ötszögletű lapok), amelyek ugyanolyan gyakoriak a szénkémiában, mint a hatszögletűek.

Természet és technológia

A fullerének kinyerése tiszta formában mesterséges szintézissel lehetséges. Ezeket a vegyületeket továbbra is intenzíven tanulmányozzák a különböző országokban, meghatározva képződésük körülményeit, és mérlegelik a fullerének szerkezetét és tulajdonságait is. Alkalmazási körük egyre jobban bővül. Kiderült, hogy jelentős mennyiségű fullerént tartalmaz a korom, amely ívkisülés során grafitelektródákon képződik. Ezt a tényt korábban senki sem látta.

Amikor fulleréneket kaptak a laboratóriumban, szénmolekulákat kezdtek találni a természetben. Karéliában shungit mintákban, Indiában és az USA-ban furulgitokban találták meg. Szénmolekulák is bővelkednek és gyakoriak az alján lévő meteoritokban és üledékekben, amelyek legalább hatvanötmillió évesek. A Földön tiszta fullerének képződhetnek villámkisülés és a földgáz égése során. 2011-ben vizsgálták a Földközi-tengeren átvett mintákat, és kiderült, hogy a fullerén minden mintában jelen volt - Isztambultól Barcelonáig. Ennek az anyagnak a fizikai tulajdonságai spontán képződést okoznak. Emellett hatalmas mennyiséget fedeztek fel belőle az űrben – mind gáz-, mind szilárd halmazállapotban.

Szintézis

Az első kísérletek fullerének izolálására kondenzált grafitgőzökön keresztül történtek, amelyeket szilárd grafitminták lézeres besugárzásával nyertek. Fullerénekből csak nyomokban lehetett beszerezni. Huffman, Lamb és Kretschmer vegyészek csak 1990-ben dolgoztak ki egy új módszert a fullerének grammos mennyiségben történő extrahálására. Hélium atmoszférában és alacsony nyomáson elektromos ívvel égetett grafitelektródákból állt. Az anód erodálódott, fulleréneket tartalmazó korom jelent meg a kamra falán.

Ezután a kormot toluolban vagy benzolban feloldottuk, és a kapott oldatban gramm tiszta C70 és C60 molekulák szabadultak fel. Arány - 1:3. Ezenkívül az oldat két százalékban magasabb rendű nehéz fulleréneket tartalmazott. Most már csak az optimális párolgási paraméterek kiválasztása volt hátra – légköri összetétel, nyomás, elektródátmérő, áram stb., hogy a fullerének legmagasabb hozamát érjük el. Magának az anódanyagnak körülbelül tizenkét százalékát tették ki. Ezért olyan drágák a fullerének.

Termelés

A tudományos kísérletezők kezdetben minden próbálkozása hiábavaló volt: nem találtak produktív és olcsó módszereket fullerének előállítására. Sem a szénhidrogének lángban való elégetése, sem a kémiai szintézis nem vezetett sikerre. Az elektromos íves módszer továbbra is a legtermékenyebb maradt, és óránként körülbelül egy gramm fullerének előállítását tette lehetővé. A Mitsubishi bevezette az ipari termelést szénhidrogének elégetésével, de fullerénjeik nem tiszták – oxigénmolekulákat tartalmaznak. Maga ennek az anyagnak a keletkezési mechanizmusa pedig továbbra is tisztázatlan, mert az ívégési folyamatok termodinamikai szempontból rendkívül instabilok, és ez nagyban hátráltatja az elmélet megfontolását. Az egyetlen cáfolhatatlan tény, hogy a fullerén egyes szénatomokat, azaz C 2 fragmentumokat gyűjt össze. Ennek az anyagnak a képződéséről azonban nem alakult ki egyértelmű kép.

A fullerének magas költségét nem csak az égés közbeni alacsony hozam határozza meg. Különböző tömegű fullerének izolálása, tisztítása, elválasztása a koromtól - mindezek a folyamatok meglehetősen összetettek. Ez különösen igaz a keverék külön molekulafrakciókra való szétválasztására, amelyet oszlopon és nagy nyomáson végzett folyadékkromatográfiával végeznek. Az utolsó lépésben a maradék oldószert eltávolítják a már szilárd fullerénből. Ehhez a mintát dinamikus vákuumkörülmények között tartják, legfeljebb kétszázötven fokos hőmérsékleten. De a plusz az, hogy a fullerén C 60 fejlesztése és makromennyiségben történő előállítása során a szerves kémia önálló ágat szerzett - a fullerének kémiáját, amely hihetetlenül népszerűvé vált.

Haszon

A fullerén származékokat a technológia különböző területein használják. A fullerén filmek és kristályok olyan félvezetők, amelyek fényvezető képességet mutatnak optikai besugárzás hatására. A C60 kristályok, ha alkálifém atomokkal vannak adalékolva, szupravezető állapotba kerülnek. A fullerén oldatok nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért felhasználhatók optikai redőnyök alapjául, amelyek az intenzív sugárzás elleni védelemhez szükségesek. A fullerént gyémántok szintézisének katalizátoraként is használják. A fulleréneket széles körben használják a biológiában és az orvostudományban. Ezeknek a molekuláknak három tulajdonságuk van: lipofilitás, amely meghatározza a membranotropicitást, elektronhiány, amely képes kölcsönhatásba lépni a szabad gyökökkel, valamint az a képesség, hogy saját gerjesztett állapotukat átadják a közönséges oxigénmolekulának, és ezt az oxigént átalakítják szingulett.

Az anyag ilyen aktív formái megtámadják a biomolekulákat: nukleinsavakat, fehérjéket, lipideket. A reaktív oxigénfajtákat a fotodinamikus terápiában használják a rák kezelésére. Fényérzékenyítő anyagokat vezetnek be a páciens vérébe, reaktív oxigénfajtákat hozva létre - magukat fulleréneket vagy származékaikat. A daganatban gyengébb a véráramlás, mint az egészséges szövetekben, ezért fényérzékenyítő anyagok halmozódnak fel benne, és célzott besugárzás után a molekulák gerjesztődnek, így reaktív oxigénfajták keletkeznek. a rákos sejtek apoptózison mennek keresztül, és a daganat elpusztul. Ezenkívül a fullerének antioxidáns tulajdonságokkal rendelkeznek, és megkötik a reaktív oxigénfajokat.

A fullerén csökkenti a HIV-integráz aktivitását, amely fehérje felelős a vírus DNS-be történő integrálásáért, kölcsönhatásba lép vele, megváltoztatja konformációját és megfosztja fő káros funkciójától. A fullerén-származékok egy része közvetlenül kölcsönhatásba lép a DNS-sel, és megzavarja a restiktázok működését.

Bővebben az orvostudományról

2007-ben kezdték használni a vízben oldódó fulleréneket allergiaellenes szerként. A fullerén származékoknak - C60(NEt)x és C60(OH)x - exponált emberi sejteket és vért vizsgálták. Az élő szervezeteken - egereken - végzett kísérletek eredményei pozitívak voltak.

Ezt az anyagot már most is gyógyszerszállító vektorként használják, mivel a fulleréneket tartalmazó víz (emlékezzünk a C 60 hidrofóbságára) nagyon könnyen áthatol a sejtmembránon. Például a közvetlenül a vérbe juttatott eritropoetin jelentős mennyiségben lebomlik, fullerénekkel együtt alkalmazva pedig több mint kétszeresére nő a koncentrációja, így bejut a sejtbe.