Проект "Нанотехнологии в современном мире"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ  БЮЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 22» УЧРЕЖДЕНИЕ   Тема работы «Нанотехнологии в современном мире.  Фуллерены и нанотрубки»  Автор: команда  «КиСА»  Кировское  сыскное агентство МБОУ «СОШ № 22» Руководитель: Крымкина Наталья Васильевна   г. Сергиев Посад 2018 год. Содержание  Введение……………………………………………………………….. Раздел 1. Фуллерены 1.1 Что такое фуллерены…………………………………………………………………… 1.2 История открытия букибола……………………………………………………… 1.3 Физические свойства и прикладное значение фуллеренов……… 1.4 Применение фуллеренов  Раздел 2. Углеродные нанотрубки 2.1 Что такое нанотрубки…………………………………………………………………… 2.2 Методы получения 2.3 Применение нанотрубок 3.Литература Введение Работа посвящена новому перспективному направлению – нанотехнологии, а именно изучению   свойств       фуллеренов   и   нанотрубок,   возможностей,   сфер   применения   их. Возможности   этого   направления   очень   велики,   благодаря   уникальным   свойствам наноматериалов. «Нано» ­ это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз. Например, 1 нанометр — это миллиардная часть метра (1 нм = 10–9   м).   С   помощью   этой   приставки   обозначают   новую   эру   в   развитии   технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, — эру нанотехнологий. Нас   заинтересовала   эта   тема,   потому   что   в   будущем   нам   жить   и   работать   с нанотехнологиями,  а   на  сегодняшний   день  нам  очень  мало,  что  известно  об  этом.  Мы считаем, что сегодня – это самая актуальная проблема, потому что она направлена на наше с вами будущее.  ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить свойства и области применения фуллеренов и нанотрубок; познакомиться   с   современными   достижениями   и   пробудить   интерес   к проблеме нанотехнологий.         Задачи проекта: ­ познакомится с историей появления фуллеренов и нанотрубок; ‐  изучить   практическое   применение     фуллеренов   и   нанотрубок   в различных областях науки ижизни. Актуальность работы: будущее за нанотехнологиями, их применение востребовано и незаменимо.  Объект исследования: нанотехнологии. Предмет   исследования:  сферы   применения,   возможности   и   перспективы нанотехнологий. Методы   исследования:  сбор   материала   по   теме,   его   анализ   и   обработка, оформление работы, тестирование, создание презентации. Практическая значимость  работы заключается в том, что работающие над этой темой ученики и слушатели узнают много нового из этой сферы. Данная работа позволит расширить кругозор в данной области, познакомиться с новейшими достижениями науки и техники. 1.1.Фуллерены  Фуллер нее , бакиб лое  или букиб   ое молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированныхатомов  углерода. Своим названием фуллерены   обязаны   инженеру   и   архитектору  Ричарду   Бакминстеру   Фуллеру,   чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений   был   ограничен   лишь   структурами,   включающими   только   пяти­   и шестиугольные   грани.     Если   в   состав   молекулы   фуллерена,   помимо   атомов   углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены   внутри   углеродного   каркаса,   такие   фуллерены называются эндоэдральными, если снаружи — экзоэдральными. Молекулы   фуллеренов   могут   содержать   от   20   до   540   расположенных   на   сферической углеродных   атомов, поверхности. Наиболее устойчивое и изученное соединение — (60   атомов   углерода)состоит   из   20  фуллерен  ­ шестичленных и 12 пятичленных циклов.  1.2.История открытия фуллеренов  В  1985  году   группа   исследователей   –  Роберт   Керл, Харолд   Крото,  Ричард   Смолли,   Хит   и   О’Брайен   –   исследовали   масс­спектры   паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твердого образца, и обнаружили пики,   соответствующие   720   и   840   атомным   единицам   массы.   Они предположили,   что   данные   пики   отвечают   молекулам   С60  и   С70  и выдвинули   гипотезу,   что   молекула   С60  имеет   форму   усеченного икосаэдра симметрии Ih  , а С70  ­ более вытянутую эллипсоидальную форму симметрии D5h. Полиэдрические кластеры углерода получили название  фуллеренов,  а   наиболее   распространенная  молекула   С60  ­ бакминстерфуллерена,   по   имени   американского   архитектора Бакминстера   Фуллера,   применявшего  для   постройки   куполов  своих зданий   пяти­   и   шестиугольники,   являющиеся   основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.    Следует   отметить,   что   открытие   фуллеренов   имеет   свою предысторию: возможность их существования была предсказана еще в 1971 году в Японии  и теоретически обоснована в 1973 году в России . За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в  1996  году была присуждена Нобелевская премия по химии. В 1992 фуллерены якобы обнаружили в породах докембрийского периода, однако впоследствии эта информация не подтвердилась   и   единственным   способом   получения   фуллеренов   в   настоящий   момент (Апрель 2007) является их искусственный синтез.  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), в котором углеродные атомы образуют многогранник, 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 С13 ­ он содержит всего одну линию.   Следующим   по   распространенности   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 напоминает своей формой мяч для игры в регби.  Первые   фуллерены   выделяли   из   конденсированных   паров графита, получаемых при лазерном облучением твердых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году   Кретчмером В., Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путем сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.  В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов.     Впоследствии, фирме  Мицубиси  удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому   дуговой   метод   по­прежнему   остается   единственным   подходящим   методом получения чистых фуллеренов.    Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов   и   постоянная   работа   по   улучшению   методов   их   очистки   привели   к существенному снижению стоимости С60  за последние 17 лет — с 10000$ до 10­15$ за грамм , что подвело к рубежу их реального промышленного использования.    При   комнатных   температурах   кристалл   С60  1.3.Физические свойства и прикладное значение фуллеренов  Конденсированные   системы,   состоящие   из   молекул   фуллеренов,   называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода ­ кристалл С60, менее ­ система кристаллического   С70. имеет гранецентрированную   кубическую   (ГЦК)  решётку  с   постоянной   1.415   нм,   но   при понижении   температуры   происходит   фазовый   переход   первого   рода   (Ткр 260   К)   и кристалл С60  меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решетки 1.411 нм).  При   температуре   Т   >Ткр  молекулы   С60  хаотично  вращаются   вокруг   своего   центра равновесия, а при ее снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание   вращений   происходит   при   165   К.   Кристаллическое   строение   С70  при температурах   порядка   комнатной   подробно   исследовалось   в   работе[12].   Как   следует   из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объемноцентрированную (ОЦК) решетку с небольшой примесью гексагональной фазы.  ≈ Нелинейные оптические свойства фуллеренов  Анализ   электронной   структуры   фуллеренов   показывает   наличие   ­электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно   обладают   нелинейными   оптическими   свойствами.   Однако   из­за   высокой симметрии   молекулы   С60  генерация   второй   гармоники   возможна   только   при   внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения   привлекательно   высокое   быстродействие   (~250   пс),   определяющее   гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику[5].  π Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала   для   длины   волны   532   нм[10].   Малое   время   отклика   даёт   шанс   использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения  и модуляторов добротности. Однако,   по   ряду   причин   фуллеренам   трудно   конкурировать   здесь   с   традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стеклах, способность   быстро   окисляться   на   воздухе,   далеко   не   рекордные   коэффициенты нелинейной   восприимчивости,   высокий   порог   ограничения   оптического   излучения   (не пригодный для защиты глаз) создают серьезные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.  1.4.Применение фуллеренов. Практически   фуллерены   интересны   в   совершенно   разных   областях.Учитывая   их электронные   свойства,   можно   рассматривать   их   самих   и   их   производные   как полупроводники.   Фуллерены   хорошо   поглощают   ультрафиолетовое   излучение,   у   них высокая электроноакцепторная способность. Все эти свойства позволяют применять их в фотовольтаике,   устройствах   разнообразной молекулярной электроники. Задействуются фуллерены в медицине как противовирусные и противомикробные средства, как агенты в фотодинамической терапии.    солнечных   батареях,   фотосенсорах, В   2007 году начали использоваться водорастворимые фуллерены   для   употребления   их   в качестве противоаллергических средств. Исследования проводились на человеческих клетках и крови, которые подвергались воздействию производных фуллерена – С60(Net)x и С60(ОН)x. В экспериментах на живых организмах – мышах были положительными.   Уже   сейчас   это вещество   используется   как   вектор доставки   лекарства,   поскольку   вода   с фуллеренами   проникает   в   мембрану клетки очень легко.  результаты     –   Другой   интересной   возможностью   практического   применения   является использование   фуллереновых   добавок   при   росте   алмазных   пленок   CVD­методом (ChemicalVaporDeposition).   2. Углеродные нанотрубки. 2.1.Углеродные нанотрубки: производство, применение, свойства Углеродные   нанотрубки   —   это   протяженные   свернутые   графитовые   плоскости, имеющие   цилиндрическую   форму.   Как   правило,   толщина   их   достигает   нескольких десятков нанометров, с длиной в несколько сантиметров. На конце нанотрубок образуется сферическая головка, которая является одной из частей фуллерена. Существуют такие типы углеродных нанотрубок: металлические и полупроводниковые. Главным их отличием является  проводимость  тока.  Первый вид   может   проводить   ток   при температуре, равной 0ºС, а второй — только при повышенных температурах. Свойства     которые   Большинство   современных направлений,   таких   как   прикладная химия или нанотехнологии, связаны с нанотрубками,   имеют углеродную каркасную структуру. Что это   такое?   Под   данной   структурой подразумевают   большие   молекулы, связанные между собой только атомами углерода.  Такие трубки могут получаться путем сворачивания графитового листа, либо расти из определенного катализатора.   В результате многих исследований было выяснено, что им присущи такие свойства, как растяжение и изгиб. При действии серьезных механических нагрузок, элементы не рвутся и не ломаются, то есть могут подстраиваться под разное напряжение.    2.2.Методы получения. На   сегодняшний   день   существуют   следующие   методы   получения   углеродных нанотрубок: дуговой заряд, абляция, осаждение из газовой фазы. Электродуговой разряд. Получение   в плазме электрического заряда, который горит с применением гелия. Такой процесс может выполняться при помощи специального технического оборудования для получения   фуллеренов.   Но   при   данном   способе   используются   другие   режимы   горения дуги.   Например,   плотность   тока   понижается,   а   также   используют   катоды   огромных толщин.   Для   создания   атмосферы   из   гелия   необходимо   повысить   давление   этого химического элемента. Углеродные нанотрубки получаются методом распыления.    2.3.Применение нанотрубок. Углеродные   нанотрубки   являются   абсолютным   новым   представителем   класса наноматериалов.   Как   говорилось   ранее,   они   имеют   каркасную   структуру,   которая   по свойствам отличается  от графита или алмаза. Именно поэтому и применяются гораздо чаще, чем остальные материалы. Благодаря таким характеристикам, как прочность, изгиб, проводимость,   используются   во   многих   областях:   в   качестве   добавок   к   полимерам; катализатором   для   осветительных   устройств,   а   также   плоских   дисплеев   и   трубок   в телекоммуникационных   сетях;   в   качестве   поглотителя   электромагнитных   волн;   для преобразования   энергии;   изготовления   анодов   в   различных   видах   батареек;   хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств.  Важнейшей     отраслью применения   являются   компьютерные технологии.   Благодаря   нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи. При помощи   их   можно   существенно уменьшить габаритные размеры самого компьютера,   а   также   увеличить   его технические   показатели.   Готовое оборудование   будет   в   несколько   раз превосходить   нынешние   технологии. На   основе   этих   исследований   можно создать   высоковольтные   кинескопы. Со   временем,   трубки   будут использоваться   не   только   в электронике, но и медицинских и энергетических сферах.    3.Литература:   Сидоров   Л.   Н.,   Иоффе   И. Н. Эндоэдральные   фуллерены   //  Соросовский образовательный журнал, 2001, № 8, с.31  Kroto H.W., Heath J.R., O’Brien S.C., et al. Nature, V.318, P.162 (1985)  Osawa E. Kagaku (Kyoto), V.25, P.854 (1971); Chem. Abstr. V.74 (1971)  БочварД.А., ГальпернЕ.Г. Докл. АН СССР, т.209, № 3, с.610 (1973)  Белоусов В.П., Будтов В.П., Данилов О.Б., Мак А.А. Оптический Журнал, т.64, №12, с.3 (1997)   Википедия