Web design by Aleksey D. Zolotarenko | Contact Us




предыдущая страница                                              следующая страница



Глава 5. Приложения

5.1. Атомные кластеры

Как описывалось в предыдущих главах, фуллерены формируются путем конденсации атомов или небольших молекул, которые образуются при испарении графита. Иными словами, изолированные атомы углерода и небольшие молекулы из атомов углерода, в зависимости от температуры испарения, плотности пара, скорости газа-носителя - гелия и ряда других факторов агрегируются в частицы различных размеров и, соответственно, различных масс. Поэтому для понимания процессов, происходящих при синтезе фуллеренов, и возможности управления этими процессами полезно использовать понятийный аппарат кластеров.
Понятие “кластер” пока не имеет четкой определенности и иногда используется для обозначения совершенно разных систем. Кластер (от англ. Cluster, буквально пучок, рой, скопление) - это группы близко расположенных, тесно связанных друг с другом атомов, молекул, ионов, иногда ультрадисперсных частиц. В химии под названием “кластер” чаще всего имеют в виду кластерные соединения, общим структурным признаком которых является наличие остова из атомов элемента - кластерообразователя [1, 2].
Физические понятия кластера связаны с геометрическими представлениями. Физический кластер - это совокупность связанных молекул, потенциал взаимодействия которых резко обрезается на расстоянии двух радиусов RС, а сфера радиуса RС, проведенная из центра каждой молекулы, пересекается, по крайней мере, с одной из сфер других молекул [1]. Таким образом, каждая молекула кластера прямо или косвенно связана с остальными молекулами через непрерывную цепную последовательность перекрывающихся сфер. Следует отметить, что в данном определении физики не делают различий между атомом и молекулой.
Другое физическое определение кластеров: кластерами называют обычно агрегации, содержащие от двух до нескольких сотен атомов. Более крупные агрегации (диаметром свыше 1 нм) называют частицами [3].
В этих определениях отсутствует указание на конкретный вид атомов, например только углерода. Как указывает П. Губин в [1], для каждого элемента периодической системы могут быть получены молекулярные соединения, содержащие остов в виде цепей, циклов, каркасов или полиэдров, образованных данным элементом. Становится все более очевидным, что химия кластерных соединений - это “органическая химия” неуглеродных элементов.
Наиболее изучена химия металлических кластеров, допускающих прямое взаимодействие металл - металл. На рис. 5.1 приводится иерархическая лестница перехода от отдельных атомов через кластеры к металлическим частицам и, далее, к массивным образцам. Как видно из рис. 5.1, размером кластеров принято считать размер частиц в интервале 6-100 Å. Свыше 100 Å  это уже коллоидные частицы. Более 300 Å  это ультрадисперсные порошки. Путем агрегации таких порошков образуются компактные металлы. Указанные цифры условны и зависят от размера атомов, их электронного строения, температуры, давления, растворителя, если кластеры образуются в растворе, и т. д. На рисунке также указано количество атомов, содержащихся в каждом типе частиц.



Рис. 5.1. Связь между ультрадисперсными металлическими частицами и кластерными соединениями металлов [1].

Структура остова в кластерах может быть построена из цепей различной длины и разветвленности, циклов, полиэдров, она может быть каркасной, а также представлять собой комбинации из перечисленных структурных элементов. На рис. 5.2 приводятся цепи, циклы и полиэдры для кластеров, содержащих 3-6 атомов. Геометрические особенности соединения атомов в плоскости или пространстве обусловливают явление изомерии. При увеличении количества атомов в остове кластера (нуклеарности) количество способов их соединения растет.
При нуклеарности от 20 и выше термодинамически и геометрически наиболее выгодная пространственная структура - шаровидная, что и наблюдается в случае фуллеренов - кластеров углерода. Многочисленный теоретический и экспериментальный материал позволил сформулировать основные правила стабильности полиэдрических кластерных структур углерода [4]:
1. Стабильные кластеры углерода имеют вид полиэдров, в которых каждый атом углерода имеет координационное число 3.
2. Более стабильны карбополиэдры, содержащие только пяти- и шестичленные циклы.
3. Более симметричные кластеры углерода - стабильнее.
4. Пятичленные циклы в полиэдрах должны быть изолированными.
5. Форма карбополиэдра должна быть близкой к сферической.
Ранее под фуллеренами понимали только полиэдры углерода. В настоящее время, если полиэдры образованы отличными от углерода атомами, то имеем дело с гетерофуллеренами. Например, фуллерен бора - В60, фосфорные фуллерены - Р16, Р160.



Рис. 5.2. Типы изомеров из гомоэлементарных металлических частиц с количеством атомов N = 3-6 [1].

Литература

  1. Губин С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строение. – М.: Мир, 1987. – 329 с.

  2. Губин С.П. Кластеры // Химическая энциклопедия. – М.: СЭ. – 1990. – Т. 2. – С. 400-403.

  3. Петров Ю.П. Кластеры и малые частицы. – М.: Наука, 1980. – 368 с.

  4. Соколов В.И., Станкевич И.В. Фуллерены - новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства // Успехи химии. – 1993. – 62, № 5. – С. 455-473.

предыдущая страница                                              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.