Ультрасовременные материалы: фуллерены (новейшая форма углерода) и углеродные нанотрубки

Ультрасовременные материалы: фуллерены (новейшая форма углерода) и углеродные нанотрубки

Многое в химической промышленности связано с органическими соединениями, молекулы которых построены из структурных блоков, представленных атомами углерода (далее С). Наш организм на 1/5 состоит из углерода. В этом плане лидирует только кислород. С – это основной компонент белков, нуклеиновых кислот и липидов.

Он входит в состав многих искусственных материалов, к которым относятся:

• пластмассы;

• тефлон;

• нейлон.

Нельзя не отметить ультрасовременные материалы, обладающие сверхвысокой прочностью на фоне их малого веса. К таковым относится кевлар: получаемый при участии органических молекул (ароматических амидов).

Органическая химия признана передовым разделом в некоторых научных течениях. Она дает возможность получать сложнейшие соединения в промышленных масштабах.

В природе встречается несколько аллотропных форм углерода. До 1985 г. были известны:

аморфный углерод;

• графит;

• алмаз.

Их исследование позволило узнать некоторые особенности молекулярной структуры С. И графит, и алмаз содержат этот элемент. Однаков алмаз тверже. Это говорит о том, что молекулярная организация С оказывает огромное влияние на его макроскопические свойства. В 1985 г. была открыта новая форма С. В ходе экспериментов по испарению графита лазерным лучом обнаружены кластеры С нового вида – фуллерены, молекулы которых чем-то схожи с ажурными сферами-многогранниками с гранями пяти- и шестиугольной формы. Самая распространенная и стабильная форма – бакминстерфуллерен, названный в честь архитектора Фуллера за сходство фуллеренов с его ажурными куполами. Молекула имеет вид сферы, она состоит из 60 атомов С. Эта структура совсем не похожа на графит, представляющий собой плоский слой из шестиугольных звеньев. Фуллерен С60 преобладает среди углеродных кластеров, обнаруживаемых в угольной саже. В сходных экспериментальных условиях также были обнаружены фуллерены из 70, 76, 84, 90 и 96 атомов углерода.

Размер фуллерена С60 — около 0,7 нм, он отлично проводит электричество и тепло. Возможно также получение фуллеренов с меньшим числом атомов. Фуллерен минимально возможного размера, построенный всего из 12 пятиугольников, получен из бромированного углеводорода додекаэдрана путем отщепления атомов брома в газовой фазе. Время жизни этой молекулы составило всего 0,4 миллисекунды. На перспективу удастся найти способ стабилизации таких структур. Были обнаружены не только маленькие, но и очень большие углеродные кластеры из сотен атомов. Это так называемые «углеродные луковицы», в каждой из них 20-атомный фуллерен заключен в сферу из 240 атомов С, а та, в свою очередь, находится внутри 540-атомной сферы.

Предложено множество способов применения фуллеренов. Те, что задействованы в биологии и биотехнологии, предполагают использование фуллеренов в качестве наноконтейнеров для доставки лекарственных препаратов, диагностических агентов. Получены результаты, подтверждающие противовирусные свойства модифицированных фуллеренов. Так, измененные молекулы С60 эффективно ингибируют вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) в микромолярных концентрациях.

Углеродные нанотрубки

За открытием сферических углеродных кластеров Сумио Идзима в 1991 г. открыл еще одну наноформу С – нанотрубки. Однослойные углеродные нанотрубки имеют вытянутую форму, которая характерна для фуллерена С60. В принципе, они очень похожи на графитовые слои, которые свернуты в удлиненные цилиндры с «колпачками» на концах либо без них.

Основная особенность нанотрубок связана с высоким показателем соотношения длины и диаметра (при диаметре в 1 нм нанотрубки достигают длины 0,1 см).

Углеродные нанотрубки также бывают многослойными. Они похожи на вставленные друг в друга трубы разного диаметра.

Уникальные свойства нанотрубок:

1. Механические. По прочности на разрыв они в десять раз превосходя сталь, но весят в четыре раза меньше. Есть мнение, что углеродные нанотрубки по удельной прочности превосходят прочие известные новейшие материалы. Благодаря таким свойствам нанотрубки планируется использовать при создании сверхпрочных конструкционных материалов для строительной, автомобильной и авиационной промышленности.

2. Углеродные нанотрубки станут незаменимыми при производстве сверхпрочных тканей, которые заменят класические пластины легких бронежилетов.

3. Эксцентричная перспектива – использование нанотрубок в сверхпрочных тросах для космического лифта.

В отличие от однослойного графита, обладающего свойствами полупроводника, углеродные нанотрубки ведут себя как смесь проводящего материала и полупроводника. Проводимость трубок зависит от угла, под которым свернут образующий трубку углеродный слой. Проводимость и малые размеры трубок натолкнули ученых на мысль об их использовании в качестве молекулярных проводников при создании проводящих композитов и конструкционных материалов и соединений. Также электрическими свойствами углеродных нанотрубок можно управлять, меняя состав газовой среды, в которой они находятся. Поэтому массивы нанотрубок могут быть очень чувствительными газовыми сенсорами.

Применение нанотрубок в дальнейшем возможно в создании устройства для запасания и преобразования энергии, дисплеев с автоэлектронной эмиссией, источников излучения, среды для хранения водорода и нанополупроводников. Следует отметить, что в большинстве случаев использование углеродных нанотрубок ограничено высокой стоимостью их производства. В 2006 г. цена чистых углеродных нанотрубок исчислялась сотнями долларов за грамм. Такая дороговизна зачастую делает применение нанотрубок нерентабельным с экономической точки зрения. Но прикладываются усилия по разработке способов масштабного производства углеродных нанотрубок, что позволит удешевить их в будущем.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:

Отправить ответ

avatar