Введение в нанотехнологию. Рухов А.В - 5 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

ВВЕДЕНИЕ
Данные методические указания предназначены для студентов первого курса направления подготовки 210600 всех форм
обучения.
Приведены теоретическая часть и задания для проведения практических занятий по разделу «Углеродные
наноматериалы» курса «Современные проблемы нанотехнологии». Рассмотрены история открытия, методы синтеза,
физические и структурные свойства основных углеродных наноматериалов: фуллеренов, однослойных и многослойных
нанотрубок.
Указания содержат методический материал для выполнения трех практических заданий. Каждое задание включает
теоретическую часть, в результате знакомства с которой студенты должны освоить основные понятия о терминологии,
структурных и физических свойствах углеродных наноматериалов, познакомиться с простейшими методами статистической
обработки экспериментальных данных. Первое задание посвящено изучению структурных свойств фуллеренов на примере
самостоятельно изготовленной студентом модели. Второе задание посвящено исследованию свойств однослойных
углеродных нанотрубок. Цель задания – изучить структурные свойства однослойных углеродных нанотрубок, по
представленному изображению нанотрубки определить угол и индекс хиральности, угол вращения и физические свойства.
Третье задание посвящено изучению структурных свойств многослойных углеродных нанотрубок и нановолокон с целью
определения морфологии и с применением статистических методов, геотермических параметров.
Практическое задание 1
ФУЛЛЕРЕНЫ
Цель занятия
: на примере модели фуллерена изучить структурные свойства и проверить следствие теоремы Леонардо
Эйлера для платоновских тел.
Методические указания.
Фуллерены, бакиболы или букиболы – молекулярные соединения, принадлежащие классу
аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа
трёхкоординированных атомов углерода (гибридизация
SP
2
).
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых
составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель
семейства фуллеренов – фуллерен C60 (рис. 1), в котором углеродные атомы образуют
усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и
напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60
принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60
эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа
13
С.
Не все связи С–С имеют одинаковую длину. Длина связи С=С, являющаяся общей
стороной для двух шестиугольников, составляет 1,39 Å, а связи С–С, общая для шести- и
пятиугольника, равна 1,44 Å. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго – одинарная,
что существенно для химии фуллерена С60.
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от
фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в
результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и несколько напоминает своей
формой мяч для игры в регби.
До экспериментального открытия фуллеренов ряд учёных представляли результаты
теоретических исследований, отражающих возможность существования молекул,
состоящих только из атомов углерода, помещённых в вершины выпуклого многогранника, в частности усечённого
икосаэдра.
В 1966 г. Дэвид Джонс высказал соображение, что внедрение в графитовый слой, состоящий из правильных
шестиугольников, дефектов в виде пятиугольников может превратить этот плоский слой в полую замкнутую оболочку –
каркасную молекулу углерода. В 1970 г. японский химик-органик Эйдзи Осава опубликовал короткую статью на родном
языке о возможности существования молекулы из 60 атомов углерода, С60, в виде усечённого икосаэдра. Также он
предположил, что углерод в такой структуре будет обладать ароматичностью, а, следовательно, молекула окажется
стабильной. На следующий год в совместной монографии Осавы и Иосиды возможные ароматические свойства этой
молекулы обсуждались уже более подробно.
В 1973 г. в СССР был выполнен количественный расчёт электронной структуры каркасной молекулы С60 Дмитрием
Анатольевичем Бочваром и Еленой Григорьевной Галперн, а также Иваном Вячеславовичем Станкевичем с сотрудниками.
Данный расчёт, повторённый несколько лет спустя американцем Давидсоном, показал, что С60 может оказаться замкнутой
полой молекулой с очень большой разностью между энергиями нижней вакантной молекулярной орбитали и верхней
занятой молекулярной орбитали, что является признаком химической стабильности. Орвил Чемпен, специалист в области
органического синтеза из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, в середине 1980-х годов инициировал
программу исследований, целью которой являлся синтез молекулы С60 в виде усечённого икосаэдра методами органической
химии. В 2001 г. в рамках данной программы был достигнут успех: молекула С60 была получена в лаборатории методом
многоступенчатого органического синтеза.
Однако следует отметить, что результаты теоретических исследований в области замкнутых каркасных молекул
углерода до 1985 г. не были по достоинству оценены научным сообществом.
Рис. 1. Молекула фуллерена С60

Страницы