Фуллерены: открытие и получение

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Саратовский государственный технический университет»

имени Гагарина Ю.А.

Кафедра «Материаловедение и биомедицинская инженерия»

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение»

ВАРИАНТ №__5__

Содержание

Введение

1. История открытия

2. Получение фуллеренов

Заключение

Список использованный литературы

Введение

Фуллерены - аллотропная модификация углерода - были открыты в 1985 году учеными Ричардом Смолли и Робертом Керлом (США) и Гарольдом Крото (Великобритания). Основное направление работ в лаборатории Е. Смолли в Университете Раиса Техаса, где в 1980-е годы было сделано открытие, связанно с исследованиями структуры металлических кластеров. Открытие фуллеренов признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной. Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами. Бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло после того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д. Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах. Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии.

История открытия

В 1967 году в Институте элементоорганических соединений АН СССР была синтезирована третья форма углерода - карбин, состоящая из линейных, палочкоообразных молекул углерода.[1]. В том же году был открыт лонсдейлит - гексагональная полиморфная модификация алмаза. В 2009 г. группа китайских ученых выступила с заявлением о том, что, в случае отсутствия примесей, лонсдейлит будет на 58% тверже алмаза. Однако эти выкладки не подтвердились и лонсдейлит до сих пор не нашел широкого применения в науке и технике.[2]. В 1973 году и в России, а несколько ранее Е. Осава в Японии на основании квантохимических расчетов предсказали существование шаровидных молекул углерода - карбододекаэдра С20, и карбо-s-икосаэдра - С60 (возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР) Также было предсказано, что они должны быть устойчивыми, и химически стабильными. В 1985 г. при исследовании паров графита, полученных испарением лазерным лучом при длительности лазерного импульса 5 нс и температуре 10000є С с поверхности вращающегося графитового диска было обнаружено наличие кластеров (или многоатомных молекул) углерода. Открытие было произведено группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. При последующих исследованиях этих образований выяснилось, что наиболее стабильными из обнаруженных соединений оказались молекулы с большим четным числом атомов, в первую очередь состоящие из 60 и 70 атомов - C60 и C70. Соединение C60 имеет сферическую форму схожую с футбольным мячом, а C70 - ближе к форме дыни (рис. 1). [1]. 7 Эти молекулы из шестидесяти, и семидесяти и более атомов углерода - С60, и С70, были названы, в виду их формы, фуллеренами в честь американского инженера и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера который впервые построил геодезический купол, состоящий из шести - и пятиугольников. Как математик Фуллер использовал системный подход к анализу структур различного происхождения и показал, что сферическая структура из пяти- и шестигранников является самостабилизирующейся системой.

Рисунок 1 - Фуллереновые молекулы: а) C60, б) C70, в) прогноз молекулы фуллерена, содержащей более 100 атомов углерода

Фуллерен - это материальная частица с размером около трети нанометра (трети миллионной доли миллиметра). Фуллерены представляют собой замкнутые молекулы углерода, в которых все атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Было открыто много видов фуллеренов. В настоящее время фуллерены принято обозначать следующим образом - фуллерен С60, С70, С80, С240, С540, и т. д. (индекс-число атомов углерода). На рис. 2 отображена зависимость устойчивости молекулы углерода от количества атомов в кластере. Нетрудно убедиться, что наиболее устойчивым является фуллерен C60.

Рисунок 2 - Время пролетный масс-спектр углеродных кластеров, получаемых при лазерном испарении графита .

Получение фуллеренов

В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах -- их раньше просто не замечал. Классическим способом получения фуллеренов является испарение в вакууме углерода с получением перегретого (до 104 К) углеродного пара [3]. Затем перегретый пар интенсивно охлаждают в струе инертного газа (например, гелия). В результате происходит осаждение порошка, в котором присутствует значительное количество кластеров (молекулы) двух групп - малого размера с нечетным числом атомов углерода (до С25) и большого размера с четным числом атомов (C60 и C70). Далее с использованием, например, методов порошковой металлургии происходит их разделение. Тем более, что кластеры, относящиеся к первой группе, не является стабильными образованиями. Подбирая параметры процесса возможно получение молекул и с большим числом атомов (С100 и более). В 1990 г. П. Кретчмер и Д. Хаффман предложили и разработали метод получения фуллеренов путём испарения графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия. Кроме молекул С60 и С70 при этом образуется большой спектр других углеродных шаровидных молекул с большей массой.

Метод Кретчмера-Хоффмана в настоящее время нашел натбольшее распространение. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. На рис. 3 показана схема установки для получения фуллеренов, которую использовал П. Кретчмер.

Рисунок 3 - Установка Кретчмера

фуллерен углерод испарение

Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц, величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10-20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т. е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи. В нем содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%). Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга». В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно по сравнению с другими атомами «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 100 Тор. При более высоких давлениях агрегация фрагментов углерода затруднена. Дальнейшие исследования показали, что фуллерены можно выделить из конденсированных продуктов испарения графита путем экстрагирования ароматическими растворителями, например, бензолом, толуолом или ксилолом. Кроме того, их можно выделить сублимацией в вакууме при температурах 450-600° С. Для получения тонких композитных пленок (с толщиной 200 - 600 нм) на основе фуллереновой матрицы используется метод вакуумного термического напыления смеси заданного состава на подложки, например на GaAs (рис.4). Смесь порошка С60 с чистотой 99,98% и CdTe была приготовлена путём их совместного размельчения до 1 мкм и спекания при температуре 300° С. Напыление проводили в вакууме при давлении 10-6 Торр и температуре подложки около 160° С. Полученные пленки не имели заметных пространственных неоднородностей химического состава.

Рисунок 4 - Поверхность пленки «фуллерен С60 - 40% CdTe»

После разработки простых способов получения фуллеренов в достаточных для исследования количествах начался “фуллереновый бум”. Поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос. Во многих странах имеются научно-технические программы по фуллеренам. Наука о фуллеренах - фуллереноведение необычайно быстро прогрессирует. В настоящее время на Западе налажено производство фуллеренов и углеродных наноматериалов на их основе, созданы специализированные фирмы. Средства, вложенные в исследования фуллеренов и организацию их производства, окупаются достаточно быстро.

Заключение

С момента открытия фуллерена наука шагнула далеко вперед. Это поистине уникальный материал с необыкновенными свойствами и имеющий необычную форму, форму шара, а точнее, если брать молекулу С60, форму футбольного мяча.Фуллерены находят себе применение практически везде начиная от медицины и биологии заканчивая космическими технологиями, и это еще не предел, благодаря огромному множеству его модификаций открываются новые его свойства. Хотя история фуллеренов небольшая, это направление науки стремительно развивается, привлекая все новых ученных. В перспективе фуллерены можно использовать как наноструктурные материалы. Эти молекулы играют одну из ключевых ролей в нанотехнологиях

Список литературы

1. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.

2. Новые направления в исследованиях фуллеренов//УФН, т. 164 , с. 1007, 1994.

3. Елецкий А. В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода//УФН, т. 165, с.977, 1995.

4. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов//СОЖ №1, с.92, 1997.

5. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены//УФН, т.168 (3), с.323, 1998.

6. Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов//Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 1999 г,. с. 77-87.

7. Иоффе, Сидоров, Юровская: Фуллерены: Учебное пособие.

8. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. Родословная форм и идей, Евгений Кац // Либроком с-296, 2009 г.

Размещено на Allbest.ru