Углеродные нанотрубки

Фуллерит – новая форма углерода.

Достаточно давно известны и подробно изучены две модификации углерода: графит и алмаз. В 1985 г. в масс-спектрометрах паров графита, полученных путем воздействия на графит лазерным лучем, содержится интенсивный пик с массой 720, происхождение которого объяснялось присутствием молекул С_60. Другой менее интенсивный пик, соответствующий массе 840 связывался с молекулой С₇₀. Имеющие форму замкнутой поверхности, молекулы С₆₀ и С₇₀ в последствии стали называть фуллеренами. Модификацию углерода С₆₀ называют фуллерит. Фуллерены могут образовывать различного рода соединения и комплексы как с простыми элементами, так и с их соединениями. Такие материалы стали называться фуллеридами. Таким образом возникла новая область физического материаловедения на основе новой модификации углерода – фуллеренов. Неослабевающий интерес поддерживается перспективами применения фуллеренов, фуллеритов и фуллеридов в наноэлектронике, энергетике и в создании и новых полимеров.

В противоположность графиту и алмазу, имеющим кристаллическую структуру с определенным атомным порядком, новая структурный элемент углерода - супермолекула. Это значит, что минимальный элемент структуры данной модификации графита не атом, а многоатомный кластер.

В 1991 г. японский исследователь Иджима изучал осадок, образовавшийся на катоде при распылении графита в электрической дуге. Его внимание приобрела необычная структура осадка, состоящая из микроскопических нитей и волокон. Диаметр таких нитей не превышал нескольких нм, а длина – от десятых долей до нескольких мкм. Каждая нить состоит из одного или нескольких слоев, состоящих из которых представляет собой гексагональную сетку графита. Основу такой сетки составляют шестиугольники, в вершинах углов которых находятся атомы углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, т.е. такое же, как и в кристаллическом графите. Концы трубочек закрыты одно- или многослойными полусферическими крышечками, напоминающими структуру половинки молекул фуллерена.

Протяженные структуры, состоящие из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, получили название нонотрубок.

Нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя жидкие вещества. Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с хорошей электропроводностью позволяет использовать их в качестве зондов в сканирующем туннельном микроскопе.

Развитие технологии получения нанотрубок связан с использованием катализаторов (главным образом металлов), позволяющих получить как однослойные, так и многослойные нанотрубки с различным структурным состоянием.

Коллоидные кластеры.

Коллоидные кластеры образуются в растворах в результате химических реакций и могут иметь размеры от 1 до 100 нм. Они могут долго существовать в жидкой фазе благодаря слабым межкластерным взаимодействиям или за счет стабилизации системы применением поверхностно активных веществ (ПАВ). По отношению к жидкой фазе (к жидкости - носителю) коллоидные кластеры могут быть разделены на лиофильные и л иофобные.

Лиофильные кластеры могут собирать на своей поверхности молекулы окружающей среды и образовывать с ними прочные сольватные комплексы. Кластеры этого типа окружены оболочкой, которая частично сохраняется и при переходе их в гелевую наносистему. Наиболее типичными представителями гидрофильных кластеров являются оксиды кремния, оксиды железа.

Лиофобные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя. Однако свойства их поверхности можно модифицировать ионами из раствора. При этом она приобретает положительный или отрицательный заряд.

В качестве примера реакций получения кластеров приведем реакцию химической конденсации, осуществляемой при получении нанокристаллов магнетита Fe₃О₄.

Химическая конденсация заключается в осаждении частиц магнетита из водного раствора солей двух– и трехвалентного железа избытком концентрированного раствора щелочи:

.

Полученный осадок коллоидных частиц переводится в жидкость-носитель при помощи метода пептизации, суть которого заключается в образовании на поверхности частиц слоя молекул ПАВ. В результате происходит разъединение частиц и последующее диспергирование в жидкости-носителе.

Пептизацию проводят, добавляя при подогревании до 70–100 ⁰С и перемешивании к осадку магнетита раствор жидкости-носителя и ПАВ. Применяемые наиболее часто для получения МЖ магнетит и олеиновая кислота в отношении максимальной намагниченности с учетом простоты технологии являются оптимальными компонентами [40, 44]. Олеиновая кислота С₈Н₁₇СН=СН(СН₂)₇СО— О^-Н⁺ своим полярным концом О^-Н⁺ притягивается к поверхности твёрдой фазы, образуя на ней плотный мономолекулярный слой толщиной δ ≈2 нм (рис. 1.1,а) В неполярных дисперсионных средах (масло, керосин, додекан, октан и т. д.) гибкие неполярные концы ПАВ, сродственные жидкости-носителю, направлены от частицы к жидкости.

Устойчивость диспергированных частиц в полярной жидкости, например, в воде, достигается характерным расположением двух слоев ПАВ (рис. 1.1,б): первый слой состоит из молекул олеиновой кислоты, второй – из молекул олеата натрия, при этом сродственные полярной жидкости-носителю полярные концы второго слоя ПАВ направлены от частицы к жидкости. В этом случае толщина защитной оболочки вдвое превышает толщину защитной оболочки магнетита, стабилизированного в углеводородных средах. Существуют МЖ на основе вакуумного, трансформаторного, вазелинового и некоторых других масел. Для создания электропроводных МЖ используют такие жидкости, как ртуть или эвтектический сплав индий — галлий — олово (ингас), в которых диспергируют частицы Fe, Ni, Co, стабилизированные оловом, висмутом, литием.

Дата добавления: 2014-01-05