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

UptoLike

Составители: 

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 СС имеют одинаковую длину. Длина связи С=С, являющаяся общей
стороной для двух шестиугольников, составляет 1,39 Å, а связи СС, 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