Углеродные нанообъекты. Способы создания нанообъектов

большое число аллотропов, резко отличающихся по свойствам

атомов углерода:

тетраэдр

Плоская структура

Линейная структура

графит, c — лонсдейлит (гексагональный алмаз), d — карбин, e — фуллерен C60, f — аморфный углерод (сажа - ассоциация графеновых кластеров), g — одностенная углеродная нанотрубка.

При описании алмаза десятки раз повторяют слово «самый» — самый блестящий, самый твердый, самый дорогой и т.д. Название произошло от греч. «адамас» — неодолимый, несокрушимый. В ограненном виде называется «бриллиант» (с франц. — сверкающий).

Твердость по шкале Мооса 10; хрупок, способность к пластической деформации проявляется только при 1800 – 1900°С. Структура алмаза - по существу – одна гигантская макромолекула.

Лонсдейлит - каждый тетраэдрический слой повернут на 60 градусов по отношению к последующему. (на 58% тверже алмаза –открыт в 1967 году)

условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы» . В виде частиц алмаза шаровидной формы 4-6 нм.

Химически инертен. Наиболее широкая область применения наноалмазов : полировальные составы, износостойкие покрытия для нефтедобычи и добавки к машинным маслам.

В кристалле есть алмазное ядро, покрытое оболочкой из углерода в котором атомы находятся в sp2-гибридном состоянии.

Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга. Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые.

Твердость – 1-2; плотность 2-2,23 г/см3 , хорошо проводит электрический ток (анизотропия). Наиболее устойчивая при обычных условиях модификация углерода.

во главе с Коршаком). Получен в искусственных услорвиях: Карбин представляет из себя линейную структуру - сшитые или двойными связями, или чередующимися одинарными - тройными связями цепочки из атомов углерода.

Можно рассматривать как полимер ацетилена.

Применение: 1. фотоэлементы – сильные полупроводниковые свойства;
2. Углеродные волокна – сверхпрочные конструкционные материалы (пуленепробиваемые жилеты, ракетные двигатели, костюмы, обогреваемые электричеством и т.д.)

устойчивая молекула, содержащая 60 атомов водорода – С60.
Фуллерены, как новая форма существования углерода в природе наряду с давно известными алмазом и графитом, были открыты в 1985 г. (Смолли, Крото, Керл в 1996 году – Нобелевская премия по химии).
Пентагоны запрещены природой для неорганических соединений. Фуллерен – органическая молекула, а кристалл из таких молекул - фуллерит. Молекулы фуллерена устойчивы даже при температуре 1500 0С.

сфере (диаметр ≈ 1 nm) с высокой степенью симметрии и напоминает футбольный мяч.
Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы 0,357 нм, длина связи С-С в пятиугольнике – 0,143 нм, в шестиугольнике - 0,139 нм.
Атомы углерода образуют 12 правильных пятиугольников и 20 правильных шестиугольников . Молекула названа в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера. Первоначально, C60 получали в небольших количествах, в 1990 г. была открыта технология крупномасштабного производства.

различное число атомов углерода – от 36 до 540.

которую благодаря капиллярным свойствам можно ввести атомы и молекулы других веществ, что дает, возможность их безопасной транспортировки.

вещество, названное ими графеном. Это новая - после алмаза, графита, карбина и фуллерена - модификация углерода, представляющая собой двумерную (плоскую) пленку из атомов углерода, расположенных в вершинах шестиугольников по принципу пчелиных сот.

Уникальная электропроводность: В графене реализуется транспорт электронов, на характер которого не влияют подложка и окружающая среда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов)

т, пленка толщиной в атом прозрачна, а прочность в 200 раз превышает прочность стали.

получившие название нанотрубок.
Нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В 50-100 тыс. раз тоньше человеческого волоса.
Они в 50-100 раз прочнее стали и имеют в 6 раз меньшую плотность! Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок в двое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие. Под действием механических напряжений, превышающие критические, трубки не ломаются и не рвутся, а перестраиваются.

была получена путём распыления графита в электрической дуге. Один грамм стоит несколько сотен долларов.
Трубку можно открыть: отжигая при 850 градусов в течение нескольких часов в потоке углекислого газа. 10% откроются. Открытые трубки могут заполняться атомами металлов, газами, например водородом в молекулярном виде. (Экологически чистое топливо в двигателях внутреннего сгорания). Можно получить золото из свинца –термоядерные реакции внутри нанотрубок.

УНТ:
ахирального типа «кресло» (две стороны каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ),
ахиральные типа «зигзаг» (при параллельном положении к оси)
хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под углом, отличным от 0 или 90º) .

В зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности), нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками.

Хиральность – отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны.

либо навитых на общую ось. Расстояние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в кристаллическом графите.

Нить диаметром 1 мм из нанотрубок может выдержать груз в 20 т, в несколько миллиардов раз больше собственной массы. Пока максимальная длина – десятки и сотни микрон.

методы диспергирования и агрегирования.
По первому методу необходимо различными способами измельчить макротело до наночастиц, затратив при этом значительное количество энергии – сверху-вниз.
Во втором способе наночастицы образуются в результате химического превращения молекул или атомов в новые образования – снизу-вверх.
Три основных технологических способа использования наноструктур при производстве материалов: 1. «сверху вниз» – диспергирование, измельчение и др.; 2. «снизу вверх» – конденсация, объединение атомов, ионов, молекул, концепция «золь-гель»; 3. введение нанодобавок в микродозах.

методы получения.
5. Химические методы получения.

Механические методы получения. К этой группе относят измельчение твердых материалов и распыление расплавов.
Диспергирование твердых материалов осуществляют:
– предварительным дроблением на станках;
– размолом в шаровых и вибрационных мельницах;
– самоизмельчением в вихревых и струйных мельницах;
– воздействием ультразвука в жидких средах.
Диспергирование в жидком состоянии, т.е. распыление расплавов, осуществляют:
– водородом в вакууме;
– сжатым воздухом или паром;
– газами или водой под давлением;
– центробежной силой вращающегося диска.

Сверху- вниз и снизу-вверх

Диспергирование основано на получении из сплошного и крупного тела 1 более мелких частиц дисперсной фазы 2. Конденсация же связана с укрупнением мелких частиц 3, в том числе и частиц молекулярных размеров, до частиц дисперсной фазы 2 определенного класса дисперсности.