Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный педагогический университет»

Кафедра общей физики

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ПРАКТИКЕ

«Фуллерены»

Выполнила: студентка 5 курса ФМФ, специальности «Физика», «Информатика и ИКТ», И.А. Дмитриева

Руководитель: доцент кафедры общей физики, к.ф.-м.н., Ю.П. Митрофанов

Воронеж 2016

РЕФЕРАТ

Отчет 14 с., 1 ч., 3 рис., 5 источников.

УГЛЕРОД, ГРАФИТ, ЗАМКНУТАЯ СТРУКТУРА, СТАБИЛЬНОСТЬ МОЛЛЕКУЛ, ТЕРМИЧЕСКОЕ ИСПАРЕНИЕ, ФУЛЛЕРЕН, ФУЛЛЕРИТ.

Объектом исследования выбрана научная литература по теме: «Фуллерены».

Цель работы – теоретический анализ научной литературы и  написание отчета научно-исследовательской работы на тему: «Фуллерены».

Метод или методология проведения работы – систематизация и обобщение теоретических и экспериментальных сведений.

Область применения данной теории включает в себя экспериментальные исследования данной темы, проведения элективов в рамках курса физики (или химии), а также при написании выпускной квалификационной работы.

В результате работы был проведен анализ теоретического материала научной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………4

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………………5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………16

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………17

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире происходит четвертая технологическая революция, связанная с развитием и выходом в практику нанотехнологий, т.е. переход к использованию систем, размеры которых не превышают 100 нм. Не отрицая роль других наночастиц, следует все-таки отметить, что если не возникновение, то бурное развитие нанотехнологий неразрывно связано с открытием наноструктур углерода – фуллеренов [1].

Данная тема очень актуальна в наши дни, так как замкнутые поверхностные структуры углерода, которые проявляют специфические свойства как своеобразные материалы, как физические объекты и как химические системы, привлекают к проблеме изучения  фуллеренов тысячи исследователей – специалистов различных областей [1]. Интенсивное усилие этих специалистов привели к открытию многих свойств фуллеренов. В свою очередь, эти свойства помогают решать проблемы человека в разных сферах его жизнедеятельности.

Целью работы является получение научных знаний по теме: «Фуллерены».

Задачи:

1.                     раскрыть такое понятие, как «фуллерены»

2.                     изучить способы получения фуллеренов;

3.                     оценить значение фуллеренов и их свойств для человечества.

Материалом для данной работы послужили данные, полученные при работе с научной литературой.

Во введении обозначается актуальность работы, формулируются основные цели и задачи. В основной части отчета приводятся данные, отражающие сущность, методику и основные результаты выполненной НИР. В заключении обобщенно приводятся результаты работы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Один из самых распространенных на земле элементов – углерод, как было установлено в 1985 г., может образовывать стабильные каркасные структуры, состоящие из 60 и большего числа атомов [2].

Всего лишь 10 дней сентября в 1985 года, которые тройка ученых Крото, Керла, Смоллей провела в Университете Райса (США, Техас, Хьюстон), привели к тому, что сначала были получены непонятные пики в спектре для структур из 60 и 70 атомов углерода, а затем они были интерпретированы как замкнутые структуры, имеющие форму футбольного мяча и мяча для регби (рис. 1) [3].

                       а)                                                                           в)

б)

Рис. 1. а – Масс-спектр углеродных кластеров, полученных в работе Крото, Керла и Смоллей. Видны пики для 60 и 70 атомов; Фуллерены: б – С₆₀ и  в - С₇₀

Эти новые аллотропные формы углерода получили название «фуллерены». Открытие фуллеренов признано одним из наиболее удивительных и важных событий 20-го столетия. За открытие фуллеренов Крото, Керлу и Смолли в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия по химии [2].

Эксперимент проходил следующим образом: в вакуумной камере находился диск с графитом. С помощью фокусировки на нем лазерного пучка была получена плазма, которая за тем попадает в масс-спектрометр. Вывод о том, что молекулы С₆₀ и С₇₀ должны иметь замкнутую структуру, был неочевиден. Прежде всего, непонятно было, как плоская гексагональная графитовая поверхность может быть замкнута. Сейчас уже нельзя сказать, кто первым понял (или вспомнил), что внедрение пятиугольника в гексагональную поверхность приводит к изменению кривизны (рис. 2). Если количество пятиугольников равно 20, а шестиугольников 12, структура, имеющая 60 вершин (атомов углерода!) приобретает форму шара футбольного мяча или говоря математическим языком, форму усеченного икосаэдра. Свое название молекулы фуллерена получили по фамилии архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочлененных пентагонов и гексагонов (рис. 3) [3].

Рис. 2. Внедрение пятиугольника в плоскую шестиугольную графитовую решетку приводит к появлению у нее ненулевой кривизны

Рис. 4. Павильон США на выставке в Монреале (Канада, 1967. Архитектор Б. Фуллер)

В 1973 году в СССР впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Это произошло следующим образом. Директор Института элементоорганических соединений РАН (ИНЭОС РАН), (г. Москва) в то время был академик РАН А.Н. Несмеянов, он предложил исследовать полые углеродные замкнутые структуры, в которых могут быть помещены атомы металлов [3].

Аспирант Е.Г. Гальперн и его научный руководитель Д.А. Бочвар приступили к этой работе. Она началась с исследования стабильности молекулы С₂₀, имеющей форму додекаэдра, которая называлась карбодекаэдром. Однако размер такой молекулы мал, что изначально ограничивает возможность внедрения в нее атома металла. Кроме того, результаты расчета показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа остановилась. Сотрудник ИНЭОС РАН И.В. Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С₆₀, имеющую симметрию усеченного икосаедра – футбольного мяча. Он принес в лабораторию футбольный мяч и сказал Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой». Квантво-химический расчет молекулы такого размера был очень сложен для компьютеров того времени, однако он был проведен и показал, что молекула С₆₀ является стабильной. К большому сожалению, Бочвару, Гельперн и Станкевичу не удалось убедить химиков-экспериментаторов синтезировать эту структуру и вплоть до открытия фуллерена Крото, Керлом и Смоллей эта структура считалась теоретической выдумкой [3].

Получение фуллеренов и фуллерита путем термического испарения графита. Этот способ был разработан в 1990 году [4]. В качестве сырья используют цилиндрические стержни спектрально чистого графита. Заточенные концы стержней соединяют, и через них пропускают ток 150 - 200 А. Можно использовать как постоянный, так и переменный ток. При пропускании тока в месте контакта возникает электрическая дуга и начинается испарение графита. Нагрев должен быть умеренным, чтобы от стержней отделялись не отдельные атомы углерода, а целые фрагменты слоев графита, состоящие из углеродных шестиугольников. Испаренный графит осаждается на стенках камеры в виде сажи [5].

Описанный процесс осуществляется в камере, в которой предварительно создается вакуум порядка 10- 6 Торр. Затем камеру заполняют газом гелием. Считается, что атомы гелия способны эффективно отнимать избыточную энергию у фрагментов графита, покинувших зону электрической дуги. Кроме того, гелий уносит энергию, выделяющуюся при объединении фрагментов в молекулы фуллеренов. Оптимальное давление гелия в камере при испарении графита находится в пределах 50 - 100 Торр. Шестиугольные фрагменты графита, охлажденные в газообразном гелии, служат "кирпичиками" для построения молекул C60 и C70 [4].

Чтобы выделить чистые фуллерены, осевшую на стенках испарительной камеры сажу растворяют в метилбензоле (толуоле). При этом фуллерены переходят в раствор, а непрореагировавшие фрагменты графита выпадают в осадок. Отделение осадка может быть произведено одним из трех путей: фильтрацией, вращением раствора в центрифуге, экстракцией при помощи прибора Сокслета. В результате получают жидкость цвета красного вина, которая затем помещается в испаритель. Толуол испаряется, а фуллерены выпадают на дно и стенки сосуда в виде черной пудры, масса которой составляет около 10% от массы исходной графитовой сажи. В состав пудры входят молекулы C60 и C70 в соотношении 85 : 15. Для разделения этих фуллеренов используется жидкостная колоночная хроматография, требующая большого количества растворителей. Цвет чистого C60 в растворе - красный анилиновый, тогда как цвет раствора C70 - оранжевый.

При выпаривании раствора чистого C60 образуется новое кристаллическое вещество, которое получило название "фуллерит" [4].

 Логично предположить, что вещество, состоящее из столь удивительных молекул, будет обладать необычными свойствами. Кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см3, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см3) и тем более алмаза (3,5 г/см3). Да это и понятно - ведь молекулы фуллеренов полые.

Твердый фуллерит является полупроводником с шириной запрещенной зоны 1,5 эВ. Это означает, что при облучении обычным видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается. Оказывается, фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси с другими веществами. Одна из первых успешных попыток в этом направлении состоит в следующем: полимер поливинилкарбазол в количестве 1,5 и 0,04 г фуллерита растворяли в 12 мл толуола. Приготовленным раствором покрывалась алюминиевая пластина. Толщина слоев изменялась от 1 до 30 мкм. Как оказалось, спектр фотопоглощения полученной смеси полностью охватывает видимый диапазон (длины волн от 280 до 680 нм). При этом квантовый выход по отношению к образованию электронно-дырочных пар составляет 0,9. Иначе говоря, каждый падающий фотон (квант света) рождает в полученном материале в среднем 0,9 электрона [4]. С этой точки зрения рассматриваемый материал является лучшим в ряду органических фотопроводящих материалов.

Очень интересные результаты были получены при добавлении калия или натрия в кристаллические пленки C60 . Оказалось, что добавка щелочного металла приводит к повышению электрической проводимости таких пленок на несколько порядков. При этом состоянию с металлической проводимостью отвечает структура M3C60 , где M - атом щелочного металла.

В начале 1991 года было установлено, что добавление атомов калия в пленки C60 приводит к тому, что они становятся сверхпроводящими при 19 К, т.е. электрическое сопротивление таких пленок становится равным нулю. Вероятно, в ближайшем будущем могут быть достигнуты температуры порядка 100 К [4].

В настоящее время установлено, что фуллерены могут являться основой для создания с другими элементами очень многих соединений. Одна из наиболее интересных и заманчивых проблем в этом направлении - внедрение внутрь молекулы C60 атомов различных элементов. Известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы C60. Уже имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия. С этой точки зрения очень привлекательны атомы редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний и диспрозий, обладающих ярко выраженными магнитными свойствами. Фуллерен, внутри которого расположен такой атом, должен обладать свойствами магнитного диполя, ориентацией которого можно управлять внешним магнитным полем [3].

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Как известно, в настоящее время в качестве накопителей информации широко используются магнитные диски. При этом информационная среда представляет собой тонкую пленку ферромагнитного металла, что дает возможность получить поверхностную плотность записи порядка 107 бит/см². Оптические диски, действие которых опирается на лазерную технологию, позволяют достичь несколько большей информационной плотности, порядка 108 бит/см². Если же в качестве носителей информации использовать фуллереновые магнитные диполи, расположенные на поверхности жесткого диска на расстоянии 5 нм друг от друга, то плотность записи достигнет фантастического значения 4 " 1012 бит/см². Реализация подобных устройств даст человечеству невиданное информационное могущество. Например, станет возможным записать содержание всех книг, изданных в мире с момента появления книгопечатания, всего на одну дискету современного формата.

Совсем недавно было показано, что поликристаллический фуллерит можно превратить в алмаз при давлении всего лишь 2 * 105 атм и при комнатной температуре. Пока же, как известно, для превращения поликристаллического графита в алмаз необходимо давление (3 - 5) * 106 атм и температура 1200 С⁰. Таким образом, фуллериты являются наиболее перспективным сырьем для синтеза самого твердого и дорогого материала – алмаза [4].

Использование фуллеренов. В мае 1994 года на Всемирной конференции в Сан-Франциско широко обсуждались вопросы практического использования фуллеренов в электронике. Крупнейшая международная промышленная корпорация "Мицубиси" решила использовать фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, подобно тому, как это происходит в широко распространенных металлогидридных никелевых аккумуляторах. Отличие заключается в том, что аккумуляторы на основе фуллеренов способны запасать примерно в пять раз большее количество водорода и, следовательно, емкость их в пять раз больше. Кроме того, батареи на фуллеренах характеризуются малым весом, а также высокой экологической и санитарной безопасностью. Планируется широкое использование таких аккумуляторов для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов [4].

Обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, алмазных и алмазоподобных пленок, лекарственных препаратов, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин.

Много внимания уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Одна из трудностей - создание водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию. В решении этой проблемы уже имеются успехи. Одно из первых соединений такого рода синтезировано на основе дифенэтиламиносакцинита и активно используется в медико-биологических экспериментах с фуллеренами. Широко обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактивными изотопами (эндоэдральные соединения - это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого-либо элемента) [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение хотелось бы сказать, что необходимо дальнейшее развитие работ, связанных с получением эндоэдральных молекул C60. В результате могут быть получены фуллериты с особыми, практически ценными, физико-химическими свойствами.

Таким образом, фуллерены, открытые в результате чисто физических исследований, в настоящее время привлекают внимание не только физиков, но и химиков, энергетиков, материаловедов, медиков и биологов. Не исключено, что исследования в этой области приведут к качественно новым результатам глобального масштаба [4].

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.                     Пиотровский Л.Б., Еропкин М.Ю., Еропкина Е.М. Механизмы биологического действия фуллеренов – зависимость от агрегатного состояния  // Психофармакологическая и биологическая наркология. – 2007. – Т. 7, №2. – С. 1548-1554

2.                     Биглова Ю.Н., Сигаева Н.Н., Талипов Р.Ф., Монаков Ю.Б. Химия фуллеренов // Вестник Башкирскогоуниверситета. – 2004. – №1. – С. 24-30

3.                     Сорокина Т.П., КвашнинаО.П. История открытия фуллерена // Вестник КрасГАУ. – 2008. – №3. – С. 283-28

4.                     Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода // Соросовский Образовательный Журнал. – 1996. – Т. 2, №2. – С. 51-56

5.                     Юровская М.А. Методы изучения производных фуллерена С₆₀ // Соросовский Образовательный Журнал. – 2000. – Т. 6, №5. – С. 26-30

Скачано с www.znanio.ru