Презентация на тему "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Фуллерены и углеродные нанотрубки

  Доклад и презентацию выполнила студентка 2 курса ИМО НИЯУ «МИФИ» Юмашева Б. Ю. Научный руководитель: Самедов В. В. Москва, 2013 г

• 
  Слайд 2

  Содержание

  Введение Фуллерены Полиморфизм углерода История открытия фуллеренов Структура, номенклатура и производные фуллеренов Синтез фуллеренов Физические свойства фуллеренов Химические свойства фуллеренов Углеродные нанотрубки Открытие нанотрубок Структура и номенклатура УНТ Синтез углеродных нанотрубок Физические свойства УНТ Химические свойства УНТ Применение фуллеренов и углеродных нанотрубок Заключение 2 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 3

  Введение

  Фуллерены Углеродные нанотрубки Углеродные каркасные структуры 3 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 4

  Полиморфизм углерода

  4 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" «Традиционные» полиморфные модификации углерода

• 
  Слайд 5

  Фуллерены

  Фуллерены - разновидность нанокластеров, имеющих вид каркасов сферической (или близкой к сферической) формы, состоящих из пяти- и шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. 5 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 6

  История открытия фуллеренов

  1960-е-исследователи обратили внимание, что углерод может образовывать атомарные конфигурации типа выпуклых поверхностей; К 1964 г. - используя возможности лазерной техники, экспериментаторы провели опыты по испарению углерода в несколько иной по­становке; 1971- физиком Е. Осавой была обсуждена возможность существования такой структуры (Япония) ; 1964-1984гг.- быстрое развитие нового научного направления, связанного с изучениемкластеров; Кластер - достаточно рыхлое молекулярное образование, содержащее большое число атомов. 1973 г.- в СССР впервые был проведён квантово-химический расчёт стабильности и электронной структуры фуллерена; 1984-1990гг.– исследование углеродных кластеров привилегированной группой ученых. 6 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 7
  

  1985 г. - опубликована статья в журнале «Nature» под названием «С60: buckminsterfullerene»: Интерпретация пика в масс-спектре материала, полученного путём испарения графита, как замкнутой углеродной структуры, имеющей форму футбольного мяча 7 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 8
  

  1990 г. –опубликование работы с описанием способа синтеза Бакминстерфуллерена в кристаллическом виде; 1992 г. - в Шуньгскихантраксолитах Карелии были впервые обнаружены фуллерены; Лето 2010 г. - фуллерены впервые обнаружены фуллерены в космосе 8 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Купол павильона США на выставке в Монреале Ричард БакминстерФуллер (англ. Richard Buckminster Fuller; 12 июля 1895 — 1 июля 1983)

• 
  Слайд 9

  Структура фуллеренов

  9 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Атомы углерода расположены в их вершинах ; С–С связи пролегают вдоль ребер ; из каждой вершины многогранника исходит по три ребра ; оставшиеся валентные электроны образуют π-систему молекулы, состоящую из в той или иной степени делокализованных двойных связей ; четность числа атомов в фуллеренах. Теорема Эйлера В + Г - Р =2 Структура фуллерена (слева) и расположение атомов на его поверхности Различные виды фуллеренов

• 
  Слайд 10

  Производные фуллеренов

  Гиперфуллерены (гигантские фуллерены, луковичные структуры), состоящие из вложенных одна в другую оболочек, как было показано расчетами, являются наиболее стабильными структурами углерода, если число атомов в кластере составляет 106-107. 10 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Проекции углеродной луковицы с пятью оболочками из концентрических фуллеренов вдоль осей симметрии С5 (а) и С2 (б) Модель структуры углеродной луковицы, содержащая семиугольники Углеродные луковицы Масштабная шкала 5 нм

• 
  Слайд 11
  

  Гетерофуллерены - сферические образования с частично замещенными атомами углерода: С59В, (C59N)2, С58В2, С57В3, C58BN, получаемые возгонкой графита с добавками бора или в атмосфере, содержащей N2, CH3NH2 и другие азотсодержащие вещества С59В Фуллероиды - подобные фуллеренам вещества (квазифуллерены), образуются при введении в структурный угле­родный каркас «классических» фуллеренов дополнительных атомов, удалении из этого каркаса атомов или разрыве связей в каркасе. При замещении связи С-С метиленовой группой образуютсягомофуллерены, при удалении атома С без разрыва су­ществовавшей связи – норфуллерены. 11 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 12
  

  Твердофазные структуры, образованные на основе молекул фуллерена, называют фуллеритами. Эндоэдральные фуллерены (Mm@Cn) —молекулы фуллеренов, в клетку которых заключены один или несколько атомов или молекул. Экзоэдральныепроизводные фуллеренов (фуллереновыхаддуктов - атомы, ионы или молекулы находятся снаружи углеродной оболочки). 12 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Кристаллическая решетка С60 Эндоэдральный комплекс La@С60 Эндоэдральный комплекс Li2@С60

• 
  Слайд 13

  Формирование фуллеренов

  13 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Схема формирования фуллерена из фрагментов, содержащихшестиугольники а – отдельные фрагменты структуры, б – объединение фрагментов Схема формирования фуллерена из атомных цепочек

• 
  Слайд 14

  Синтез фуллеренов

  14 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Лазерный генератор фуллеренов Смолли Установка Крэчмера

• 
  Слайд 15
  

  15 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Схема фуллеренового реактора Вудла.1 - система откачки и подачи гелия, 2 - колпак, 3-4 - электроды, - медный электрод, 6 - манометр Схема установки SOLAR-1, сконструированной Смолли. 1 — параболическое зеркало, 2 - мишень из графита, - предварительный нагреватель, 4 - изолированные провода нагревателя, 5 - стеклянный колпак. Стрелками показано направление световых лучей

• 
  Слайд 16

  Физические свойства фуллеренов

  С60: устойчив в инертной среде до температур около 1200 К tплавл = 1180 °С обладает свойствами фотопроводника нерастворим в воде p н.у.= 1,69 г/см3 Кристаллические фуллерены – полупроводники с относительно невысокими энергиями связи. 16 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 17

  Химические свойства фуллеренов

  Химические реакции фуллерена С60: восстановление; нуклеофильное присоединение; циклоприсоединение; региохимическое множественное присоединение галогенирование; модифицирование фуллеренов кластерами; гидрирование; присоединение радикалов; образование комплексов переходных металлов; окисление и реакции с электрофильными реагентами. 17 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Химические свойства фуллеренов

• 
  Слайд 18

  Углеродные нанотрубки

  УНТ — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей. 18 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 19

  Открытие нанотрубок

  1889 г. - выдан американский патент на получение трубчатых форм углерода, образующихся при пиролизе смеси СН4 и Н2 в железном тигле; 1948 г. - обнаружены углеродные волокна при пиролизе СН4, С2Н6 и С2Н4 на кварцевой подложке при 1473 К; кон. 1940-х – нач. 1950-х - серия работ по получению и изучению продуктов термического разложения монооксида углерода на железных катализаторах; 1991 г. - в продуктах дугового синтеза фуллеренов были обнаружены МУНТ; 2002 г. - в России заработала первая лабораторная непрерывно действующая установка по синтезу МУНТ. 19 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 20

  Структура и номенклатура УНТ

  20 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" а) б) в) Структурные типы нанотрубок структура типа «кресло (а) и структура типа «зигзаг» (б); хиральный тип (в) Различные расположения шестиугольников боковой поверхности УНТ относительно продольной оси с: а – структура типа «кресло», б – структура типа «зигзаг», в – хиральная структура Схематическое изображение наиболее распространенных структур многослойных нанотрубок: (а) русская матрешка; (б) свиток; (в) папье-маше. С =na1 + ma2

• 
  Слайд 21

  Производные УНТ

  По аналогии с фуллеренами : эндоэдральные (заполненные) нанотрубки, образующиеся в результате внедрения атомов других веществ в полость нанотрубок; экзоэдральныенанотрубки (нанотубулярныеаддукты), образующиеся в результате присоединения к нанотрубкам атомов других веществ; гетеронанотрубки (легированные нанотрубки), образующиеся в результате замещения углеродных атомов нанотрубок атомами других веществ; интеркалированныенанотубулярные сростки, образующиеся в результате внедрения атомов других веществ в межтрубное пространство сростков УНТ 21 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 22

  Формирование УНТ

  22 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Построение модели нанотрубки: а) графитовый слой и лента; б) нанотрубка . Кроме индексов (n, m), геометрию нанотрубки можно охарактеризовать длиной окружности цилиндра С и углом хиральности F. Если вектор С совпадает с вертикальной или наклонной “разреженной” линией шестиугольников, получаются нехиральные трубки (n, 0) и (n, n). УНТ

• 
  Слайд 23

  Методы синтеза УНТ

  23 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Схема установки для получения нанотрубок методом лазерного испарения Схема технологического процесса получения углеродных нанотрубок методом CVD Самосборкананотрубок в растворе Локтевое соединение между кресельной и зигзагной нанотрубками Влияние дефекта на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов

• 
  Слайд 24

  Физические свойства УНТ

  Механические и термические свойства идеальных ОУНТ являются выдающимися и определяются несколькимифакторами: необычно высокой прочностью sp2-связей С-С; рекордно большой плотностью упаковки атомов в графенах; отсутствием или малой плотностью дефектов структуры (именно наличие неизбежно образующихся дефектов де­лает реальную прочность, например, стали в 50-100 раз ниже рассчитанной теоретически для бездефектного материала). 24 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Сравнение некоторых характеристик НТ со свойствами других материалов

• 
  Слайд 25

  Химические свойства УНТ

  Модифицирование УНТ может быть проведено нескольки­ми путями, которые включают: раскрытие закрытых трубок путем их частичного окис­ления (например, парами воды, смесей хлора и водорода, водных растворов кислот); функциализацию (присоединение к ним функциональ­ных групп – при взаимодействии с кислородом, фтором, озоном, воздухом, кислородсодержащими кислотами и некоторыми кислород­содержащими солями ); реакции функциональных групп, присоединенных к УНТ; заполнение внутренних полостей трубок различными веществами; химические реакции в их полости; замещение атомов углерода атомами других химиче­ских элементов; интерполирование атомов и молекул «гостей» в ван-дер-ваальсовы полости c акцепторами электронов - бром, йод, FeCl3, HN03) и донорами электронов (щелочные металлы); адсорбцию и хемосорбцию газов и паров (своеобразие взаимодействия газов и паров со сростками открытых УНТ); декорирование внешних поверхностей трубок другими веществами (покрытие веще­ствами, которые не образуют прочных химических связей с поверхностными атомами матрицы, например, сплавами Co-B, Ni-P, оксидами металлов ZnO, CdO, A120 и др.) и использование их в качестве матриц. 25 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 26

  Применение фуллеренов

  Особенно выражены преимущества фуллерена в следующих практических приложениях: 1) модифицирование фуллеренами стали приводит к значительному повышению ее качеств; 2) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность; 3) в керамических изделиях снижает коэффициент трения; 4) в полимерных композитах способно увеличить его прочностные характеристики; 5) микродобавка фуллеренововой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала; 6) в качестве основы для производства аккумуляторных батарей (принцип действия основан на реакции присоединения водорода) обладают способностью запасать примерно в пять раз большее количество водорода; 7) в качестве катализаторов - способность принимать и передавать атомы водорода; 8) в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления выход алмазов увеличивается на ≈30%; 9) мощные антиоксидантами, быстро вступающими в реакцию со свободными радикалами, которые часто являются причиной повреждения и смерти клеток. 26 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Некоторые области применения фуллеренов

• 
  Слайд 27

  Применение углеродных нанотрубок

  Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность (63 ГПа), Сверхпроводимость) нанотрубки могут найти применение в огромном количестве областей: добавки в полимеры; катализаторы (автоэлектронная эмиссия для катодных лучей осветительных элементов, плоские панели дисплеев, газоразрядные трубки в телекоммуникационных сетях); поглощение и экранирование электромагнитных волн; преобразование энергии; аноды в литиевых батареях; хранение водорода; композиты (заполнители или покрытия); нанозонды; датчики; усиление композитов; суперконденсаторы. 27 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки" Самый маленький в мире магнит: в нанотрубку удалось вставить кристалл никеля Схема дисплея на основе углеродных нанотрубок

• 
  Слайд 28

  Заключение

  28 Юмашева Б.Ю. "Фуллерены и углеродные нанотрубки"

• 
  Слайд 29
  

  Спасибо за внимание! b.yumasheva@gmail.com НИЯУ «МИФИ» 2013 г