Графен, углеродные нанотрубки и фуллерены
В настоящее время претворяются в жизнь казавшиеся в середине прошлого столетия фантастические идеи о возможности построения новых материалов на основе работы с отдельными атомами, сделанный им в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы с помощью манипулятора соответствующего размера, и достаточно аргументировано показал, что законы квантовой механики не препятствуют созданию нужных людям структур из совсем небольшого числа атомов. В то время, когда единственным инструментом, позволяющим хоть что-то разглядеть в наномасштабе*, был электронный микроскоп, идеи Фейнмана казались фантастикой. Однако уже в 1974 г. японский физик Н. Танигучи вводит в обиход термин «нанотехника». Сегодня многие ученые связывают рождение нового направления в материаловедении (нанотехнологии) с 1981 г., когда немецкие физики Г. Бинниг и Г. Рорер создали зондовый туннельный микроскоп, позволяющий не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы.
Основные понятия и положения нанотехнологии
Нанотехнология — междисциплинарная технологическая область (электроника, оптика, машиностроение, энергетика, биофизика и др.), оперирующая процессами сборки на атомарном и кластерном** уровнях, которые позволяют придать неорганическому или органическому материалу принципиально новые физико-механические, химические и эксплуатационные свойства.
|
|
|
Нано — 10~9 — миллиардная доля; 1 нм = 10-9 м. **
Кластер (англ. cluster — скопление) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.
Лауреат Нобелевской премии академик Ж. И. Алферов показал, что нанотехнология держится на трех китах: зондовой атомарной сборке с использованием сканирующего туннельного микроскопа (SPM) и оптического пинцета; росте сверхтонких пленок и самосборке гетероструктур на поверхности кристаллов (гетероструктура — комбинация нескольких контактов между разными по химическому составу веществами).
Графен, углеродные нанотрубки и фуллерены
Наноструктуры собирают не только из отдельных атомов, но и из молекулярных блоков. Наиболее перспективным химическим элементом для такой сборки является графит, из которого получают графен, углеродные нанотрубки и фуллерены.
Графен (от англ. graphene) — это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решетку правильного шестигранника. Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.
|
|
|
Графит представляет собой стопу листов графена. Графены в графите очень плохо связаны между собой и могут скользить друг относительно друга. Существуют три способа получения графена.
Механический способ основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоев графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот способ наиболее трудоемкий. Термический способ основан на термическом разложении подложки карбида кремния.
Химический способ основан на использовании раствора аммиака в дистиллированной воде (для образования слабощелочной среды). Повышение pH раствора приводит к увеличению электростатического заряда на поверхности углеродных чешуек — графенов. Они начинают отталкиваться и больше не слипаются.
Высокая подвижность носителей тока при комнатной температуре делает графен перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.
|
|
|
Углеродные нанотрубки. Одно из перспективных направлений в нанотехнологиях — использование углеродных нанотрубок.
Углеродные нанотрубки — это каркасные структуры или гигантские молекулы, состоящие только из атомов углерода.
Углеродную нанотрубку можно представить, если мысленно свернуть в трубку графен. Нанотрубки образуются самостоятельно, например, на поверхности угольных электродов при дуговом разряде между ними. При разряде атомы углерода испаряются с поверхности и, соединяясь между собой, образуют однослойные и многослойные нанотрубки. Диаметр однослойных нанотрубок, как правило, около 1 нм, а их длина около 40 мкм. Они нарастают на катоде, перпендикулярно плоской поверхности его торца. Происходит так называемая самосборка углеродных нанотрубок из атомов углерода.
Углеродные нанотрубки можно применять в качестве высокопрочных микроскопических стержней и нитей. Углеродные нанотрубки, выращенные на подложке из кремния, напоминают щетку или густой лес. При достаточной длине «ворса» из нанотрубок его можно срезать и сплести в одну длинную нить. Можно из 1 см2 «ворса» получить высокопрочную нить толщиной 20 мкм, а длиной несколько метров (прочность такой нити будет в 5—10 раз больше, чем у самых прочных на сегодняшний день композитов «угле-углепластик-кевлар»).
|
|
|
В зависимости от угла закручивания и строения нанотрубки могут обладать высокой, как у металлов, проводимостью, а могут иметь свойства полупроводников. Поэтому углеродные нанотрубки — перспективный материал для изготовления электрических проводов, интегральных микросхем (наносхем) и для соединения логических элементов внутри микроэлектронных устройств (сопротивление однослойной нанотрубки не зависит от ее длины). Потенциальный диапазон применения распространяется от электронных дисплеев и сенсоров до наноэлектронных устройств и батарей.
Атомы углерода, испарившиеся с разогретой поверхности графита, соединяясь друг с другом, могут образовывать не только нанотрубки, но и другие молекулы — выпуклые замкнутые многогранники в виде сферы или эллипсоида. В этих молекулах атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Все эти молекулярные соединения атомов углерода названы фуллеренами по имени американского инженера, дизайнера и архитектора Р. Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники.
Молекулы самого симметричного и наиболее изученного фуллерена, состоящего из 60 атомов углерода (С60), образуют многогранник, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.
Изображение фуллерена Сбо многие считают символом нанотехнологий. Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами.
Фуллерены могут быть использованы как «нанокирпичики» для конструирования материалов с заданными параметрами. Молекулы фуллеренов являются сильными окислителями, так как атомы углерода в них обладают высокой электроотрицательностью и способны присоединять к себе до шести свободных электронов.
Фуллерен — структуры, содержащие щелочные металлы К3С6о; Rb3C60; Cs3C6o (фуллериды), обладают сверхпроводимостью. Температура фазового перехода зависит от постоянной решетки фуллерида. Температура сверхпроводящего перехода для системы Rb — Т1 — Сбо превышает 40 К, для системы Си — С60 превышает температуру кипения азота.
Таким образом, фуллериды при простом составе являются одними из самых высокотемпературных сверхпроводников. Фуллерены могут применяться при производстве новых классов:
• сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектриков, нелинейных оптических материалов;
• полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими, магнитными свойствами для записи и хранения ин формации;
• антифрикционных покрытий и смазок, в том числе на основе фторсодержащих соединений фуллеренов;
• соединений для фармакологии и медицины, в том числе противовирусные и нейротропные препараты, сорбенты для гемо сорбции; а так же при создании:
• новых технологий синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости (уже получены алмазоподобные структуры твердостью 150 ООО МПа, тогда как твердость алмаза не превышает 100 ООО МПа);
• новых типов катализаторов и сенсоров для определения состава жидких и газовых сред;
• новых видов топлив и добавок к топливам;
• капсул для безопасного захоронения радиоактивных отходов.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 3811; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!