Начало нанотехнологической эры. Фуллерены

слово направления нанофотоника и нанотехнология
Нанофотоника или фотоника наноструктур – новое направление, которое занимается исследованием взаимодействия излучения с наночастицами и наноструктурами
Нанотехнология – совокупность технических приемов и исследовательских методик, позволяющих создать объекты размером 1÷100 нм и манипулировать ими
Наносистема – это объект, размер которого хотя бы по одному измерению не превышает 100 нм

в 1965 г.
В 1959 г. Ричард Фейнман - провидческая лекция в Калифорнийском Технологическом институте
“Там внизу еще много места”
Гипотеза создания наноразмерных материалов и манипулирования ими (нанороботы, нанолитография, биофотоника и др.).
“Лекция была столь провидческой, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология”

нм
Древняя Греция
Чаша Ликурга (Британский музей)
Поглощение и рассеяние наночастиц золота и серебра
Средневековая Европа
Витражи
Стекло с добавками наночастиц золота и др. металлов
Наноплазмоника металлических структур
Древний Восток
(Древняя Индия)
Углеродные нанотрубки в составе дамасской стали.
Гибкость и твердость

Поперечный срез волос, полученный оптическим (вверху) и флуоресцентным (внизу) методами. Видно, что при длительном воздействии древней краски наноразмерные кристаллы глубже проникали в структуру волоса (справа), чем при кратковременном (слева)

Чаша, на которой изображен царь эдонов Ликург, которого Дионис поразил безумием, меняет свой цвет в зависимости от того, где находится источник света: снаружи (слева) или внутри (справа). Посередине рисунка — наночастица золота из образца стекла чаши Ликурга, увиденная с помощью электронного микроскопа

Витраж из собора Нидарос в Трондхейме (Норвегия). Собор построен на месте захоронения Олафа Святого, покровителя Норвегии. (Фото Gerd A.T. Müller.)

Нановолокна цементита, заключенные в углеродные нанотрубки, в образце дамасской стали после травления соляной кислотой (получено методом электронной микроскопии)

обязаны инженеру и дизайнеру
РИЧАРДУ БАКМИНСТЕРУ ФУЛЛЕРУ
чьи сферические конструкции построены по этому принципу.
С60 “БАКМИНСТЕРФУЛЛЕРЕН”
состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сферической поверхности в вершинах 20 шестигранников и 12 пятигранников.
Первый фуллерен, и вообще представитель данного класса соединений, бакминстерфуллерен (C60) был обнаружен в 1985 году Ричардом Смолли, Робертом Керл, Джеймсом Хит, Шоном О'Брайен, и Гарольдом Крото в Университете Райса (Хьюстон, штат Техас, США).

Осава (Япония)
Статья в журнале “Катаку” на японском языке
Назвал “Сокербол”
soccer-ball – футбольный мяч
1973-1974 гг
Квантово-химические расчеты гипотетической замкнутой полой молекулы С 60 - Бочвар, Гальперн, Станкевич, ИНЭОС, Россия
Многогранники Эйлера
Рональд Эйлер (1706-1783гг.)
Член Петербургской Академии Наук
Теорема Эйлера В-Р+Г=2

К истории открытия фуллеренов

пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида
Теоретически возможно 12500 вариантов расположения двойных и ординарных связей (Низший из теоретически возможных фуллеренов C20 представляет собой не что иное, как додекаэдр(двенадцатигранник ).
В углеродном каркасе атомы C находятся в sp2-гибридизацией, причем каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами. 4-х валентность реализуется за счет π-связей между каждым атомом углерода и одним из его соседей.
По своей форме молекула С60 напоминает футбольный мяч, который также имеет форму Архимедового усеченного икосаэдра.

Строение фуллеренов

С60

Единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент является их искусственный синтез. Так же фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах 

– охлаждаемая медная шина;
3 – медный кожух,
4 – пружины.

на центрифуге

Оставшийся раствор выпаривают

Фуллерит

вирусов в биологических жидкостях

Фуллерен-кислород-йодный лазер

Применение фуллеренов

(PDIL) имеет оптическую накачкой с мощный импульс генерации.
Химический кислород-йодный лазер (COIL) имеет высокую мощность излучения для l=1.315мкм.
НЕДОСТАТКИ:
PDIL – обладает низкой эффективностью
COIL – основан на циркуляции Cl, экологическая опасность
Поэтому ИЛФ был предложен и разработан ФУЛЛЕРЕН-КИСЛОРОД-ЙОДНЫЙ ЛАЗЕР (FOIL).
ПРЕИМУЩЕСТВА FOIL:
Нет реакций с хлором, возможность работать в замкнутом цикле без замещения реагентов, экологическая безопасность.
Прямое преобразование солнечной энергии к лазерный луч.
Высокая эффективность преобразования оптической накачки в лазерное излучение (6%-10% для ламповой накачки, 30% для солнечной накачки).

K

l,

nm

Эффективность поглощения излучения от источника при температуре 5785K для фуллеренов 0.82

Физическая эффективность=40%
Энергия поглощения~ 30%

кислорода для фуллеренов ΔΦ = 0.96 ± 0.04 (λ = 532 nm),
Главные реакции: поглощение света
oF + hν → 1F → 3F σeff ~ 5⋅10-18 ÷ 10-17 cm2
получение синглетного кислорода
3F + O2 → 1ΔO2 + 0F K2 ~ 3.3⋅10-12 cm3sec-1
обратная реакция тушение синглетного кислорода
1ΔO2 + oF → O2 + 3F K3 ~ 8.0⋅10-16 cm3sec-1 Для фуллеренов: K3 << K2

< 10-16 cm3sec-1

Главные преимущества фуллеренов как фотосенсибилизаторов:
*Высокая фотохимическая стабильность. Отсутствие вредных продуктов распада и возможность многократного применения фуллеренов.
*Легко извлечь из биологической среды после фотодинамического воздействия

между молекулами кислорода и твёрдотельным покрытием фуллеренов

Фотодесорбция синглетного кислорода

Микрофотография фуллеренового покрытия на стеклянной пластинке

hν

Сорбция молекул
кислорода фуллеренами
и углеродными
наноструктурами

Получение синглетного
кислорода при взаимодействии
фотовозбуждённых фуллеренов
и углеводными наноструктурами
с молекулярным кислородом

Выход синглетного
кислорода в
газовую фазу
и взаимодействие
с атомами йода

Ip-импульс накачки
1-Plum(0.76m) без охлаждения
2-Plum(0.76m) с охлаждением