Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Физика твердого тела

ЭНДОЭДРАЛЬНЫЕ ФУЛЛЕРЕНЫ

Одним из уникальных свойств молекул фуллеренов является способность заключать внутри своего углеродного каркаса атомы и молекулы. Получающиеся таким образом соединения называют эндоэдральными, в отличие от экзоэдральных производных фуллеренов, в которых не входящие в углеродный каркас атомы находятся снаружи.

Среди соединений, которые обычно относят к эндоэд- ральным фуллеренам, выделяются две основные группы. Первая из них — эндоэдральные металлофуллерены, содержащие внутри углеродного каркаса один или более атомов металла. К настоящему времени известно немало таких соединений с более чем двумя десятками различных атомов металлов, относящихся к различным группам Периодической системы.

Ко второй, значительно меньшей группе относятся эн- доэдральные соединения фуллеренов с атомами инертных газов и азота. Эти соединения менее интересны, чем метал- лофуллерены, поскольку взаимодействие между эндоэд- ральным атомом и углеродным каркасом незначительно и получающиеся соединения не обладают новыми специфическими свойствами. В литературе для эндоэдральных фуллеренов принято обозначение Х@С,,, где X — внедренный атом или группа атомов.

Как оказалось, синтез эндоэдральных металлофулле- ренов приводит совсем к другому распределению продуктов по массе углеродного каркаса, чем у пустых фуллеренов. При синтезе пустых фуллеренов с наибольшим выходом образуются соединения С60 и С70, а доля высших фуллеренов, среди которых преобладают С84 и С76, составляет около одного процента. Однако среди монометалло- фуллеренов с наибольшим выходом, как правило, образуется соединение состава М@С82 и с меньшими выходами — близкие к нему по числу атомов углерода в молекуле. Среди диметаллофуллеренов в наибольших количествах образуются производные С80, С84, С74 или С82 в зависимости от того, атомы какого металла заключены внутри молекулы. Известен также триметаллофуллерен 8с382.

Таким образом, очевидно, что механизм образования эндоэдральных фуллеренов отличается от механизма образования пустых фуллеренов. Можно предположить, что атом металла играет роль своеобразной матрицы, на которой происходит сборка углеродного каркаса, отличающегося по структуре от пустых фуллеренов с тем же числом атомов углерода.

УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ

В 1991 г. были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Их диаметр от одного до нескольких десятков нанометров и длина до нескольких сантиметров. Состоят нанотрубки из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой (рис. 1.22).

Рис. 1.22

Структура углеродной нанотрубки

Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Результаты экспериментов и численного моделирования показывают, что модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа — что на порядок больше, чем у стали.

Классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Его определяют два числа п и т, позволяющие разложить направление сворачивания на векторы трансляции графитовой решетки. Хиральность нанотрубки может быть также однозначно задана углом а, образованным направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону.

По значению параметров (л, т) различают: 1) нанотрубки типа «кресло» или «зубчатые» (armchair) п = т и угол 30°; 2) зигзагообразные (zigzag) т = 0 или п = 0 и угол хиральности а = 0; 3) спиральные (хиральные) нанотрубки при других отношениях параметров и угле хиральности от 0 до 30°.

На рис. 1.23 показан пример сворачивания нанотрубок типа «зигзаг» и «кресло», а на рис. 1.24 — пример сворачивания нанотрубки общего вида (4.2). Вектор хиральности (направление сворачивания) определяется как Ch =пах +та2, где ах и а2 являются единичными векторами, ашил целыми числами. Точка В совмещается с В', а точка О с точкой А. Полученная объемная фигура показана на рис. 1.25 (справа).

Рис. 1.23

Направления сворачивания нанотрубок типа «зигзаг» (zigzag) и «кресло» (armchair)

Рис. 1.24

Сворачивание нанотрубки общего вида с хиральностью (4.2)

Индексы хиральности однослойной нанотрубки опр« деляют ее диаметр D и угол хиральности:

Рис. 1.25

Виды нанотрубок в зависимости от направления «сворачивания» — «кресло» (слева), «зигзаг» (в середине) и хиральная (справа)

где ас_с = 0,142 нм — расстояние между атомами углерода в гексагональной сетке графита. Подстановка указанного значения дает удобную формулу вычисления диаметра трубки в нанометрах непосредственно по индексам:

Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10). Проведенные расчеты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально подтверждена в 1996 г., когда впервые был осуществлен синтез нанотрубок с?) = 1,36 нм, что соответствует хиральности (10, 10).

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Если использовать техническую терминологию, у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если (л - т), деленное на 3, дает целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло».

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТРУБОК

Механика: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

Микроэлектроника: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

Оптика: дисплеи, светодиоды.

Медицина — в стадии активной разработки.

Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции молекул на поверхности нанотрубки ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Космонавтика: кабель для лифта.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы