Web design by Aleksey D. Zolotarenko | Contact Us




следующая страница



Глава 1. Новые углеродные наноструктуры

1.1. Фуллерен - новая аллотропная форма углерода

Хорошо известны две аллотропные формы углерода - алмаз и графит. Первый из них является одним из наиболее твердых веществ на Земле, второй – очень мягким материалом. Алмаз представляет собой трехмерную сетку объединенных простыми (одинарными) sр3-связями атомов углерода. Алмаз обладает кубической гранецентрированной решеткой с периодом а = 0.3354 нм (рис. 1.1, а). Графит построен в форме слабо связанных друг с другом двухмерных плоскостей - сеток, образованных шестичленными кольцами с sр2-связями. Кратность связи углерод-углерод равна 1,5. Кристаллическая решетка графита гексагональная, слоистая, с периодами а = 0.2461 нм и с = 0.6708 нм (рис. 1.1, б).
В 1967 г. в Институте элементоорганических соединений АН СССР была синтезирована третья аллотропная форма углерода - карбин, состоящая из линейных, палочкообразных молекул углерода с sр-электронной конфигурацией (рис. 1.1, в) [1].





В 1973 г. Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперн в России [2], а несколько ранее Е. Осава в Японии [3] на основании квантово-химических расчетов предсказали возможность существования шаровидных молекул углерода, карбододекаэдра - С20 и карбо-s-икосаэдра - С60. Благодаря замкнутой электронной оболочке и ароматичности они должны быть устойчивыми и обладать химической стабильностью. На рис. 1.1, г приведен предсказанный карбо-s-икосаэдр, который позже будет назван фуллереном.
В 1985 г. Н.В. Крото, Р.Ф. Керл, Р.Е. Смолли смоделировали условия существования "углеродных звезд" путем испарения графита при температуре 10 000 оС под действием лазера в струе гелия [4]. На масс-спектрограммах паров углерода они обнаружили четкий пик для массы 720 и небольшой пик для массы 840, соответствующие кластерам из 60 и 70 атомов углерода. В процессе дальнейших исследований было установлено, что эти кластеры являются индивидуальными молекулами. Эти молекулы были названы фуллеренами в честь американского архитектора и инженера Ричарда Бакминстера Фуллера (1895-1983), который впервые построил геодезический купол, состоящий из шести- и пятиугольников. За открытие и дальнейшие исследования фуллеренов Н.В. Крото, Р.Ф. Керлу, Р.Е. Смолли в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии [5-10].
В 1990 г. П. Кречмер и Д. Хаффман предложили и разработали метод получения фуллеренов путем испарения графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия [11]. Кроме молекул С60 и С70 при этом образуется целый спектр других углеродных шаровидных молекул с большей массой [11-16]. Наиболее широко известный фуллерен из 60 атомов углерода имеет форму футбольного мяча (поэтому в ранних работах некоторые авторы называли его футболеном), а фуллерен из 70 атомов углерода – форму регбийного мяча. В настоящее время фуллерены принято обозначать следующим образом: фуллерен С60, С70, С80, С84, С240, С540 и т. д. (индекс – число атомов углерода). Дальнейшие исследования показали, что фуллерены можно выделить из конденсированных продуктов испарения графита путем экстрагирования ароматическими растворителями, например бензолом, толуолом или ксилолом. Кроме того, их можно выделить сублимацией в вакууме при температурах 450-600 C.
После разработки простого способа получения фуллеренов в препаративных количествах начался "фуллереновый бум", поток публикаций об их удивительных свойствах резко возрос. В настоящее время быстро прогрессирующая наука о фуллеренах переживает самую начальную стадию своего развития. В 1992 году стал издаваться специализированный журнал “Fullerene Science and Technology”. Во многих странах имеются научно-технические программы по фуллеренам.

следующая страница




От авторов


Издание настоящей книги стало возможным благодаря реализации договора о творческом сотрудничестве между Институтом проблем материаловедения Национальной академии наук Украины и Институтом проблем химической физики Российской академии наук в рамках выполнения совместной программы “Фуллерены и атомные кластеры”.
За последние 10 лет наблюдается бурный рост потока информации в области знаний фуллереноподобных материалов, открытых в 1985 году. Задача, которую поставили авторы перед собой, состояла в том, чтобы обобщить эту информацию и в сжатой форме изложить основные представления о новом классе углеродных материалов. Из огромного информационного потока по фуллеренам, нанотрубкам и кластерам, а это десятки тысяч источников: книг, патентов, научных и популярных статей, был взят тот минимум, который позволил бы неискушенному читателю войти в мир углеродных наноструктур с его специфическими особенностями. Большой интерес среди ученых вызывает особенность строения фуллеренов, обусловленная их сферичностью. Завершенность элементарной структурной единицы, по сравнению с бесконечными кластерами атомов в карбине, графите и алмазе, обусловливает уникальную способность фуллеренов растворяться в растворителях. Это единственная растворимая форма углерода.
Фуллерены - интересный объект исследований во многих областях науки - физике, химии, геологии, биологии, медицине, материаловедении и других. Благодаря наличию у молекулы фуллерена большого количества атомов углерода открываются неограниченные возможности синтеза миллиардов новых соединений с новыми свойствами, а значит и новыми возможностями. Разработка и использование материалов, обладающих сложным комплексом физико-химических свойств, являются одной из основополагающих предпосылок создания техники XXI века. И фуллереноподобные материалы обладают всеми качествами, необходимыми для того, чтобы стать основой материалов будущих разработок. В настоящее время мы стоим только на стартовой черте изучения фуллереноподобных материалов и материалов, получаемых на их основе. Перспективы использования их безграничны.
Данные, представленные в четвертой главе этой книги, демонстрируют одну из блестящих возможностей использования этих материалов. Благодаря компактному и безопасному хранению водорода в фуллереноподобных материалах и материалах, полученных на их основе, становится экономически обоснованным и реальным переход человечества от эры использования запасавшейся миллионами лет солнечной энергии в виде ископаемых топлив к эре солнечно-водородного будущего: непосредственного преобразования солнечной энергии и применения водорода в качестве экологически чистого топлива и энергоносителя. Это будущее видится еще более оптимистичным, если учесть, что источником водорода является вода, которой достаточно на всех континентах и во всех странах. То есть снимается вопрос о странах, богатых топливом и бедных с энергетической точки зрения. Солнечной энергии хватит всем.
Надеемся, что эта книга станет для многих первой ступенькой в познании области науки о фуллеренах, пробудит интерес и желание узнать больше, шагнуть вперед и изучить неведомое.
Заранее приносим свои извинения за возможные опечатки. Мы с удовольствием и благодарностью примем все критические замечания и комментарии. Авторы благодарят В.Б. Черногоренко, А.П. Помыткина, Н.Ф. Гольдшлегер и А.П. Моравского за помощь в написании некоторых глав, а также благодарят О.И. Билык, Д.М. Мильто, Е.А. Лысенко за помощь в наборе и редактировании текста и иллюстраций.