Аллотропные модификации углерода

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области
Управление образования городского округа Ревда
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №10»
Аллотропные модификации углерода
как объекты нанотехнологий
Исполнитель: Горшенин Егор,
учащийся 8 – б класса
Руководитель: Чернобай Л. А.,
учитель химии, высшая кв. категория
г. Ревда
2014 г.
Содержание
Введение ............................................................................................................................................ 3
1. Аллотропная модификация ......................................................................................................... 4
1.1. Аллотропия углерода ............................................................................................................ 4
2. Графит............................................................................................................................................ 5
2.1. Свойства графита................................................................................................................... 5
2.2. Структура графита................................................................................................................. 5
2.3. Условия нахождения графита в природе и искусственный синтез графита.................... 6
2.4. Применение графита ............................................................................................................. 6
3. Алмаз ............................................................................................................................................. 8
3.1. Свойства алмаза ..................................................................................................................... 8
3.2. Структура алмаза ................................................................................................................... 9
3.2. Нахождение алмазов в природе и добыча ........................................................................... 9
3.3. Применение алмазов ........................................................................................................... 10
4. Карбин ......................................................................................................................................... 11
5. Фуллерен ..................................................................................................................................... 12
5.1. Структура фуллеренов ........................................................................................................ 12
5.2. Применение фуллерена ....................................................................................................... 12
6. Углеродные нанотрубки ............................................................................................................ 15
6.1. Структура нанотрубок......................................................................................................... 15
6.2. Свойства нанотрубок .......................................................................................................... 16
6.3. Применение нанотрубок ..................................................................................................... 16
7. Графен.......................................................................................................................................... 19
7.1. Структура графена............................................................................................................... 19
7.2. История открытия графена ................................................................................................. 19
7.3. Применение графена ........................................................................................................... 19
Заключение...................................................................................................................................... 21
Литература ...................................................................................................................................... 22
Приложение .................................................................................................................................... 23
2
Введение
Весь мир охвачен беспрецедентной инновационной революцией. Нанонауку и
нанотехнологию по праву можно назвать локомотивом этого феномена. Наноматериалы
имеют ряд свойств, которые ставят их вне конкуренции по сравнению с другими
материалами. Благодаря нанотехнологиям появилась возможность создавать более быстрые
и легкие компьютеры, прочную ткань, прозрачные солнцезащитные экраны, молекулярные
сенсоры и клеточные методы лечения некоторых болезней.
На греческом языке слово нано означает «карлик», а в науке приставка нано – означает
«одна миллиардная часть», то есть нанометр (нм) – это 10-9 м (для сравнения: толщина
волоса человека в среднем равна 80 тыс. нм). Размер атома водорода – примерно 0,1 нм,
потому в одном нанометре помещается около 10 атомов, учитывая, что атом водорода – это
самый маленький атом.
Наночастицы
невозможно
было
наблюдать
ранее,
поскольку
не
существовало
инструментов для их поиска, изучения и управления ими. Современные ученые способны
видеть гораздо больше своих предшественников. С помощью микроскопов и других
инструментов высокого разрешения сегодня можно изучать структуру и свойства самых
крошечных объектов. Было установлено, что чем меньше частицы, тем заметнее изменения
их магнитных, оптических и электрических свойств. Итак, нанотехнологии – это
технологии, основанные на манипуляции отдельными атомами и молекулами для
построения структур с заранее заданными свойствами.
В настоящее время особый интерес вызывают наноматериалы на основе углерода. В
естественных условиях углерод может находиться в трех аллотропных формах: графит,
алмаз или аморфный углерод [2, с. 55]. Учеными были открыты карбин, фуллерен,
нанотрубки, графен.
Таким образом, объектом исследования являются аллотропные модификации углерода;
предметом исследования – зависимость между составом, строением и свойствами
модификаций.
Цель работы: раскрытие перспектив, связанных с наноструктурированными материалами
на основе углерода.
Задачи:
 изучить и проанализировать литературу и интернет - источники по теме работы;
 систематизировать знания об особенностях углерода и образованных им простых
веществах;
 показать значимость открытия и перспектив применения наноматериалов.
3
1. Аллотропная модификация
Что такое аллотропная модификация? Аллотропная модификация - это существование двух
и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и
свойствам — так называемых аллотропных видоизменений или форм.
Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества
(аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической
решётке (аллотропия формы).
Понятие аллотропии введено в науку Йёнсом Берцелиусом в 1841 году для обозначения
разных форм существования элементов. Одновременно он предполагал, по-видимому,
применить его и к изомерии соединений, то есть явлению, заключающемся в существовании
химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, но
различающимся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого,
по свойствам. После принятия гипотезы Амедео Авогадро в 1860 году стало понятно, что
элементы могут существовать в виде многоатомных молекул, например, О2 — кислород и О3
— озон.
В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность
элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое
определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.
1.1. Аллотропия углерода
Углерод — вещество с самым большим числом аллотропных модификаций. На
данный
момент
существует
множество
аллотропных
модификаций.
Аллотропные
модификации углерода по своим свойствам наиболее радикально отличаются друг от друга,
от мягкого к твёрдому, непрозрачного к прозрачному, абразивного к смазочному, недорогого
к дорогому: графит, алмаз, карбин, фуллерен, нанотрубки, графен, фуллерит, лонсдейлит,
астрален, нановолокна, стеклоуглерод, аморфный углерод и другие.
Причина большого многообразия веществ, состоящих из углерода – способности его
атомов образовывать различные химические связи и кристаллические решётки. Во всех
аллотропных модификациях атомы углерода находятся в возбуждённом состоянии, образуя
засчёт четырёх валентных электронов четыре химические связи.
Самые распространённые аллотропные модификации углерода – алмаз и графит.
4
2. Графит
Графи́т (от древнегреческого γράφω — пишу) — минерал из класса самородных
элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои
кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга,
образуя целый ряд политипов, с симметрией от гексагональной сингонии, до тригональной.
Слои слабоволнистые, почти плоские, состоят из шестиугольных слоёв атомов углерода.
Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые.
2.1. Свойства графита
Графит – это твёрдое непрозрачное тёмно-серое вещество с металлическим блеском.
Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь. Мягкий (твёрдость по шкале Мооса
1), легко расслаивается на отдельные мельчайшие пластинки (это свойство используется в
карандашах).
После воздействия высоких температур становится немного тверже, и
становится очень хрупким. В кислотах не растворяется. Природный графит содержит 10 —
12 % примесей глин и оксидов железа.
2.2. Структура графита
Кристаллическая решётка графита атомная слоистая. Каждый атом углерода связан
прочной ковалентной связью с тремя другими окружающими его атомами углерода.
Четвёртый электрон участвует в образовании связи с атомами углерода соседних плоскостей.
Расстояние между атомами, расположенными в разных плоскостях (между слоями), гораздо
больше, чем между атомами в одной плоскости.
Различают две модификации графита: α-графит (гексагональный) и β-графит
(ромбоэдрический). У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами
шестиугольника, а у β-графита каждый четвёртый слой
повторяет первый.
β-графит в чистом виде не наблюдается. Однако, в
природных графитах содержание ромбоэдрической фазы
может достигать 30 %.
Рис. 1. Структура графита
5
2.3. Условия нахождения графита в природе и искусственный синтез
графита
Сопутствующие
минералы:
пирит,
гранаты,
шпинель. Образуется
при
высокой
температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах.
Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных
гидротермальных полиметаллических месторождениях.
Искусственный графит получают разными способами:

Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей
кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы

Пирографит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400—
1500 °C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до
температуры 2500—3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт —
пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование
«электрографит»).

Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.

Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.
2.4. Применение графита
Использование графита основано на ряде его уникальных свойств:

Для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано
на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его
химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.

Электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и
химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам
(намного выше, чем у благородных металлов).

Наполнитель пластмасс.

Замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей
(в смеси с каолином).

Для получения синтетических алмазов.

Для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных
электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с
6
троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется
надёжный подвижный электрический контакт.

Графитовый порошок добавляют в смазочное масло, такая добавка повышает
качество смазки для различных механизмов.
7
3. Алмаз
Алма́з - минерал, кубическая аллотропная модификация углерода. При нормальных
условиях метастабилен, то есть может существовать неограниченно долго. В вакууме или в
инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.
3.1. Свойства алмаза
Алмаз – бесцветное прозрачное, сильно преломляющее свет вещество, самый твёрдый из
всех минералов, служит эталоном твёрдости (по шкале Мооса его твёрдость равна 10). Не
проводит электрический ток, имеет очень высокую температуру плавления 3700—4000 °C.
Главные отличительные черты алмаза — высочайшая среди минералов твёрдость (но, в то
же время хрупкость). У алмаза очень низкий коэффициент трения по металлу на воздухе —
всего 0,1, что связано с образованием на поверхности кристалла тонких плёнок
адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Высокая твёрдость
обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание. Для алмаза также
характерны самый высокий (по сравнению с другими известными материалами) модуль
упругости и самый низкий коэффициент сжатия.
На воздухе алмаз сгорает при 850—1000 °C, а в струе чистого кислорода горит слабоголубым пламенем при 720—800 °C, полностью превращаясь в конечном счёте в
углекислый газ. При нагреве до 2000 °C без доступа воздуха алмаз спонтанно за 15-30 минут
переходит в графит и взрывообразно разрушается на мелкие части.
Одним из важных свойств алмазов является люминесценция. Под действием солнечного
света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают
светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике
для извлечения алмазов из породы.
Большой показатель преломления, наряду с высокой прозрачностью и достаточной
дисперсией показателя преломления (игра цвета), делает алмаз одним из самых дорогих
драгоценных камней (наряду с изумрудом и рубином, которые соперничают с алмазом по
цене). Алмаз в естественном виде не считается красивым. Красоту придаёт алмазу огранка,
создающая условия для многократных внутренних отражений. Огранённый алмаз
называется бриллиантом.
Для того чтобы отличить настоящий алмаз от его имитации, используется специальный
«алмазный щуп», измеряющий теплопроводность исследуемого камня. Алмаз имеет
намного более высокое значение теплопроводности, чем его заменители. Кроме того,
8
используется
хорошая
смачиваемость
алмаза
жиром:
фломастер,
заправленный
специальными чернилами, оставляет на поверхности алмаза сплошную черту, тогда как на
поверхности имитации она рассыпается на отдельные капельки.
3.2. Структура алмаза
Свойства алмаза обусловлены строением его кристаллической решётки. Каждый атом
углерода в структуре алмаза связан ковалентными
связями
с
четырьмя
другими
атомами,
расположенными вокруг него на одинаковых
расстояниях под одинаковыми углами, т.е. каждый
атом углерода расположен в центре тетраэдра,
вершинами которого служат четыре ближайших
атома. Связи по всем направлениям одинаковые и
прочные.
Рис. 2. Структура алмаза
3.2. Нахождение алмазов в природе и добыча
Алмаз — редкий, но довольно широко распространённый минерал. Промышленные
месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Уже несколько
тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных
месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные
кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.
О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Учёные
придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной,
есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и
мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило,
50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую
кристаллическую решётку — собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность
вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва».
Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до
2,5 миллиардов лет.
Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми
трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа
известны в Африке, России, Австралии и Канаде.
Добыча алмазов (в стоимостном выражении) в странах-лидерах составила:
9

Ботсвана – 3,9 миллиарда долларов;

Россия – 2,7 миллиарда долларов;

Канада – 2,5 миллиарда долларов;

ЮАР – 1,7 миллиарда долларов;

Ангола– 1,2 миллиарда долларов.
3.3. Применение алмазов
Огранённый алмаз (бриллиант) уже многие десятилетия является популярнейшим и
дорогим драгоценным камнем. В то время как цена других драгоценных камней
определяется модой и постоянно меняется, алмаз остаётся островком стабильности на
бурном рынке драгоценностей. Фирма «Де Бирс», на долю которой приходится около 50 %
мировой добычи, разрабатывает месторождения Ботсваны, ЮАР, Намибии и Танзании.
Подавляющая часть (по стоимости) природных алмазов используется для производства
бриллиантов.
Форма огранки бриллианта зависит от формы исходного кристалла алмаза. Чтобы
получить бриллиант максимальной стоимости, огранщики стараются свести к минимуму
потери алмаза при обработке. В зависимости от формы кристалла алмаза, при его обработке
теряется 55—70 % веса.
Исключительная твёрдость алмаза находит своё применение в промышленности: его
используют для изготовления ножей, свёрл, резцов и тому подобных изделий. Потребность
в
алмазе
для
промышленного
применения
вынуждает
расширять
производство
искусственных алмазов. В последнее время проблема решается за счёт кластерного и ионноплазменного напыления алмазных плёнок на режущие поверхности. Алмазный порошок
(как отход при обработке природного алмаза, так и полученный искусственно) используется
как абразив для изготовления режущих и точильных дисков, кругов и т. д.
Тонкие алмазные пластинки наносят на хирургические инструменты; раны от
хирургических операций, сделанных алмазным скальпелем, быстрее заживают.
Также применяются в квантовых компьютерах, в часовой и ядерной промышленности.
Крайне перспективно развитие микроэлектроники на алмазных подложках. Уже есть
готовые изделия, обладающие высокой термо - и радиационной стойкостью. При
изготовлении полупроводниковых приборов на основе алмаза используются, как правило,
допированные плёнки алмаза. Из-за большой ширины запрещённой зоны алмазные
светодиоды работают в ультрафиолетовой области спектра.
10
Размеры добываемых кристаллов алмазов колеблются от нескольких миллиметров до 1
см. Крупные кристаллы встречаются чрезвычайно редко. Они настолько редки, что каждому
присваивается имя. Каждый из них имеет свою судьбу и свою историю. Один из
древнейших алмазов (добытый около 5000 лет назад в Индии) носит название “Кохинур”,
что в переводе означает “Гора света”. Много веков он украшал тюрбан индийских раджей.
Существовало поверье, что пока владыка обладает “Кохинуром”, он сам и его страна будут
процветать. Поэтому за владение “Кохинуром” боролись многие раджи, шахи, султаны и
другие восточные владыки. Много крови было пролито в борьбе за обладание “Кохинуром”.
В настоящее время “Кохинур” принадлежит королевскому дому Великобритании.
Другой знаменитый алмаз – “Шах” – принадлежал русским царям. Получен он был в дар
от персидского шаха по печальному для российской культуры поводу. В 1829 году в ходе
националистических беспорядков в Тегеране был убит русский посол, авто бессмертной
комедии “Горе от ума” Александр Сергеевич Грибоедов. При улаживании конфликта между
Россией и Персией русскому царю были направлены дары, в том числе и алмаз “Шах”. Этот
алмаз – плата за голову А. С. Грибоедова. Сейчас этот алмаз находится в государственном
Алмазном фонде.
4. Карбин
Карбин — одна из аллотропных модификаций углерода, представляет собой цепочку его
атомов.
Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета, обладает
полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек
атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин
обладает
полупроводниковыми
свойствами,
причём
под
воздействием света его проводимость сильно увеличивается.
На этом свойстве основано первое практическое применение
— в фотоэлементах.
Рис. 3. Структура карбина
11
5. Фуллерен
Фуллерены – молекулярные соединения, состоящие, как и алмаз, только из атомов
углерода.
5.1. Структура фуллеренов
Атомы углерода в молекулах фуллеренов располагаются в вершинах правильных шестии пятиугольников, которые составляют поверхность сферы. Самый известный из них, так
называемый фуллерен C60, напоминает по форме футбольный мяч.
Фуллерены – открытая относительно недавно (1985) новая аллотропная модификация
углерода. В 1996 г. авторам открытия была присуждена Нобелевская премия по химии.
Свое название эти вещества получили по
имени американского инженера и архитектора
Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего
полусферические
архитектурные
сооружения,
состоящие из шести- или пятиугольников…
Молекулы фуллеренов могут содержать от 20 до
540
углеродных
атомов,
расположенных
на
сферической поверхности. Наиболее устойчивое и
лучше изученное из этих соединений – C60фуллерен
(60
атомов
углерода)
состоит
из
шестичленных и 12 пятичленных циклов.
Рис. 4. Структура фуллерена
Углеродный скелет молекулы C60-фуллерена представляет собой усечённый икосаэдр.
Икосаэдр (от греч. eikosi - двадцать, hedra - грань) - правильный многогранник, имеющий
20 граней (в виде равносторонних треугольников), 30 ребер, 12 вершин (в каждой сходится 5
ребер). Усечённый икосаэдр образован отсечением вершин икосаэдра и cостоит из 32
граней, из которых 12 - правильные пятиугольники и 20 - правильные шестиугольники.
Данный многогранник имеет 60 вершин, в каждой из которых сходится 3 ребра. По форме
этот многогранник похож на футбольный мяч.
5.2. Применение фуллерена
Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства
аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции
12
присоединения
водорода,
во
многих
отношениях
аналогичны
широко
распространенным никелевым аккумуляторам. Но они обладают, в отличие от
никелевых аккумуляторов, способностью запасать примерно в пять раз больше
удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более
высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной
безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств
аккумуляторами на основе лития.
Такие
аккумуляторы
могут
найти
широкое
применение
для
питания
персональных компьютеров и слуховых аппаратов
Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для
создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации.
Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и
фармакологии.
В чем секрет уникальных свойств ФУЛЛЕРЕНОВ?
Фуллерены являются самыми мощными антиоксидантами среди известных к настоящему
моменту, причем механизм их действия принципиально иной, чем у всех остальных
антиоксидантов. Они действуют даже в микродозах, сохраняя эффективность в течение
длительного времени.
Фуллерены уменьшают концентрацию свободных радикалов, нормализуют клеточный
обмен веществ, повышают способность клеток к регенерации, сохраняя тем самым
молодость.
По силе воздействия фуллерен превышает самый известный из антиоксидантов, витамин
С, в 125 раз. Японская компания, производящая медицинский фуллерен, использовала это
свойство фуллерена в своем имени - Vitamin C60, соединив название витамина, и название
самого известного фуллерена, C60.
Фуллерен
по
силе
и
продолжительности
действия
превосходит
классические
антиоксиданты. Он работает абсолютно по-другому. Если другие антиоксиданты
расходуются в ходе реакции, то фуллерен способствует взаимоуничтожению свободных
радикалов и при этом не расходуется вовсе.
"Мячик" фуллерена обладает свойством собирать свободные радикалы на своей
поверхности, обеспечивая таким образом их встречу. Соединяясь, они нейтрализуют друг
друга, а фуллерен при этом никак не меняется. Вот почему фуллерен действует так же
эффективно, как гораздо большие количества других антиоксидантов. И именно поэтому его
действие столь длительно.
13
Свойство фуллерена образовывать активные формы кислорода используется в
фотодинамической терапии, являющейся одним из способов лечения рака. В кровь пациенту
вводят фотосенсибилизаторы (вещества, способные генерировать активные формы
кислорода под действием света, в данном случае - фуллерены или их производные).
Поскольку кровоток в опухоли слабее, чем в остальном организме, то фотосенсибилизаторы
накапливаются в ней. После направленного облучения опухоли происходит возбуждение
молекул фотосенсибилизатора и генерация активных форм кислорода, что вызывает апоптоз
раковых клеток и разрушение опухоли.
Было показано, что фуллерен может понижать активность ВИЧ-интегразы. Напомним,
что ВИЧ-интеграза – белок, отвечающий за встраивание вирусной комплементарной ДНК в
ДНК человека. Фуллерены, взаимодействуя с этим белком, способны изменять его
конформацию, влияя таким образом на его функции. Некоторые производные фуллерена
способны взаимодействовать непосредственно с ДНК и препятствовать действию
рестриктаз (ферментов, разрезающих ДНК в специфических местах).
14
6. Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки — это очень крепкие трубчатые структуры, сформированные из
одного слоя атомов углерода. Их диаметр составляет в среднем всего лишь около одной
миллиардной доли метра. Углеродные нанотрубки открыл в 1991 г. японский исследователь
Сумио Иджима. Произошло это, можно сказать, случайно. Сотрудник корпорации Nippon
Electric Company изучал под электронным микроскопом осадок, который образуется на
катоде при распылении графита в электрической дуге. Тут-то и обнаружились странные
крошечные графитовые цилиндрики, или как бы закрытые мини-туннели, построенные из
особых видов сажи. Цилиндрические стенки нанотрубки образуют сверхустойчивую
структуру из шестигранных ячеек, а по краям закрыты полусферическими крышечками из
семи- или восьмигранников.
6.1. Структура нанотрубок
Таким образом, нанотрубка – это молекула из более миллиона атомов
углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной
несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в
вершинах правильных шестиугольников.
а)
б)
Рис. 4. Структура углеродной нанотрубки: а) общий вид нанотрубки; б) нанотрубка,
разорванная с одного конца
15
Открытие этих структур весьма заинтересовало учёных. Начались исследования.
Нанотрубки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса и оказались на редкость прочным
материалом. Они в 50-100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую
плотность! Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок
вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и
гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые
трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки
ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся", не "ломаются", а просто-напросто
перестраиваются!
В настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни
микрон – что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для
повседневного
использования.
Однако
длина
получаемых
нанотрубок
постепенно
увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к сантиметровому рубежу. Получены
многослойные нанотрубки длиной 4 мм.
6.2. Свойства нанотрубок
Впоследствии выяснились совершенно уникальные свойства таких трубок. По прочности
они значительно превосходят железо, т.к. фактически крепки, как алмаз. По массе легче
пластика. К тому же они прекрасные проводники электричества и тепла и могут
использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников.
Кроме того, они способны испускать электроны, благодаря чему могут найти применение в
сверхтонких дисплеях.
В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления
графитовых электродов в плазме дугового разряда для получения нанотрубок.
6.3. Применение нанотрубок
 Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

Применения
в
микроэлектронике:
транзисторы,
нанопровода,
прозрачные
проводящие поверхности, топливные элементы.

Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными
устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработка.
16

Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и
газов, нанопипетки.

Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок
международной
команде
ученых
из
университета
Техаса
удалось
создать
искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой.
Открытие этих структур весьма заинтересовало учёных. Начались исследования.
Впоследствии выяснились совершенно уникальные свойства таких трубок. По прочности
они значительно превосходят железо, т.к. фактически крепки, как алмаз. По массе легче
пластика. К тому же они прекрасные проводники электричества и тепла и могут
использоваться в качестве тончайших кабелей, полупроводников или сверхпроводников.
Кроме того, они способны испускать электроны, благодаря чему могут найти применение в
сверхтонких дисплеях.
В нанотрубки можно не только "загонять" атомы и молекулы поодиночке, но и буквально
"вливать"
вещество.
Как
показали
эксперименты,
открытая
нанотрубка
обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким
образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки
химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов
топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы
уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а углеродное
ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные
атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения,
нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов
нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в
строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас
проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой
технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь
заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки
собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и
"вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже практически
готова к реализации такой схемы. Углеродные нанотрубки позволяют сращивать
поломанные конечности без риска отторжения и с большой прочностью. Для этого
необходимы трансформированные нанотрубки, которые могли бы хранить в себе
спецдобавки и лекарства для костей [1, с. 30].
17
Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии.
Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на
матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов
нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на
фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно
изображения будет фантастически малым: порядка микрона!
Теоретически подсчитали, что из нанотрубок можно создать самые прочные волокна в
мире, которые в сто раз прочнее и шесть раз легче стали. Такие наноматериалы могут
использоваться даже для создания космического лифта. Так называется новая технология
доставки грузов и пассажиров с поверхности Земли на космическую орбиту. Некоторые
американские компании (Норманн, штат Оклахома и Бреметон, Вашингтон) работают над
созданием космического лифта к 2018 г. До изобретения углеродных нанотрубок
специалисты аэрокосмической отрасли не имели достаточно прочных материалов, которые
могли бы выдерживать собственный вес троса космического лифта и центробежную силу
под действием вращения Земли. Идеи создания и расчёты космических лифтов могли
существовать только в головах и блокнотах фантастов. Сейчас ученые и инженеры уже
научились скручивать нанотрубки в волокна, как шерсть. С помощью лёгкой и
сверхпрочной ленты на основе углеродных нанотрубок можно создать трос необходимой
длины (около 100.000 км), который мог бы стать основой космического лифта
(приложение 1), [2, с. 315].
18
7. Графен
Графен – ещё одная из аллотропных модификаций углерода, пожалуй, самая
экзотическая.
7.1. Структура графена
Он представляет собой сверхтонкие (толщиной в один атом) слои и из атомов углерода,
связанные в гексагональную (состоящую из шестиугольников с общими сторонами)
структуру. Этот новый и современный материал – самый тонкий и одновременно самый
прочный. Кроме того, он обладает электропроводностью, а по теплопроводности
превосходит
все
известные
на
сегодняшний
день
материалы. Двумерные слои графена почти прозрачные,
однако настолько плотные, что даже самые маленькие
молекулы
(например,
одноатомные
молекулы
благородного газа гелия) не могут пройти сквозь слой.
Рис. 5. Структура графена
7.2. История открытия графена
Впервые графен получили в 2004 году ученые: Константин Новоселов (Российскобританский физик, родился в 1974 году в Нижнем Тагиле) и Андрей Гейм (российскоголландский физик, родился в 1958 году в Сочи).
Их метод получения данного материала изначально был предельно прост: к
графитовому стержню, являющемуся основой любого простого карандаша, прикасались
скотчем, а затем изучали полученные частички под специальным микроскопом. При
необходимости их снова расслаивали при помощи второго куска скотча. За это открытие
они получили Нобелевскую премию в 2010 году.
7.3. Применение графена
Cоздан новый материал для флеш-памяти на основе графена.
Работа флеш-памяти основана на том, что крошечные ячейки сохраняют информацию
в виде единиц и нулей, в зависимости от того, содержится в этой ячейке электрический
заряд или нет.
19
Обычно термин «флеш-память» ассоциируется с картами памяти для фото и
видеокамер, однако такая технология также применяется и в процессорах компьютеров.
Испытания показали, что графен превосходит системы, взятые в качестве
общепринятых стандартов энергоэффективности, и может хранить гораздо больший
объем информации.
Уже созданы первые прототипы графеновой флешки. Было оценено, что такие флешки
за десять лет потеряют лишь 8% хранящегося в них заряда, в то время как современные
устройства памяти, за это же время теряют половину заряда. Это означает, что такие
флеш-накопители будут служить гораздо дольше.
Новый материал и созданный из него работающий прототип «графеновой флешки»
значительно превосходят современные флешки, однако исследователи полагают, что
дальнейшая
модификация
позволит
получить
устройства
памяти
еще
более
эффективные, чем существующие.
У графена отличная перспектива в производстве светочувствительных элементов для
оптико-волоконной связи. Он может стать прекрасным детектором вредных для здоровья
газов и отравляющих веществ. А какие горизонты открывает его уникальная прочность!
Уже создан первый образец мобильного телефона с экраном из графеновой пленки,
прошитой металлическими волокнами. Такой экран не разобьется и даже не
потрескается, если телефон уронить.
Профессору Родни Руоффу удалось получить оксид графена, соединив атомы
кислорода с атомами углерода. В результате он получил материал, тонкий и гибкий как
бумага, но намного прочнее. Из такого материала можно, например, изготавливать
космические скафандры. А еще профессор Руофф создал графеновый суперконденсатор.
Своей очереди ждут пластмасса, обладающая электропроводностью, графеновая пудра
для электрических аккумуляторов, контейнеры для длительного хранения пищевых
продуктов,
сверхпрочные медицинские имплантаты, прозрачные покрытия для
мониторов и другие чудо-материалы будущего. Просто прекрасно, что многие из этих
удивительных материалов будут созданы уже в ближайшее время. Все-таки нас с вами
ждет прекрасное будущее.
20
Заключение
Совсем недавно микроскопические размеры считались самыми маленькими из
известных человеку. Люди научились создавать микрофоны и микроскопы, исследовать
микроорганизмы. С каждым годом мобильные телефоны и микропроцессоры становятся всё
мощнее и меньше. Однако современная микроэлектроника почти достигла своего
теоретического предела. Для достижения большей точности и скорости вычисления,
необходимо переходить на совершенно новые технологии. Современные микропроцессоры
стали такими крошечными и мощными, что во время работы могут перегреться и сгореть.
Как же спасти положение? Ответ прост: мир спасут нанотехнологии! Нанонаука занимается
изучением чрезвычайно малого мира – мира атомов и молекул.
Нанотехнологии привлекают пристальное внимание учёных, потому что благодаря им
становится возможным из отдельных атомов создавать новые молекулы и даже материалы,
имеющие огромное значение для общества и оказывающие влияние на него. Стремительное
развитие нанотехнологий и областей их применения демонстрирует очевидный факт:
нанотехнологии становятся одними из основных технологий XXI века.
В течение последнего десятелетия учёные и инженеры научились делать металлы более
прочными и гибкими с помощью наноматериалов. Авиастроители обнаружили, что
самолёты могут быть более лёгкими и экономичными благодаря использованию
металлических сплавов и нанокомпозитов с наночастицами.
При рассмотрении перспектив развития синтеза и обработки наноструктур на
ближайшее будущее, до 2020 г., ясно видны большие возможности использования
нанотехнологий в области химии и биологии.
Глобальный интерес к наноматериалам и нанотехнологиям способствует улучшению
качества уже существующих продуктов. По мере открытия новых удивительных свойств
наноматериалов
растут
инвестиции
в
развитие
потенциально
очень
выгодных
нанотехнологий.
Хотя многие перспективы сегодня всё ещё относятся к области фантастики, вполне
возможны, что уже завтра они будут претворены в реальность. В нанотехнологиях даже
крошечные шажки могут привести к большим прорывам!
21
Литература
1. Ларина С. В. Знакомый незнакомец // Химия в школе. – 2013. – № 4. – с. 27 – 32.
2. Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн. – М.: Эксмо, 2009. – 368 с.
Интернет-ресурсы
1. http://ru.wikipedia.org
2. http://him.1september.ru
3. http://traditio-ru.org
4. http://www.goldenline4u.ru
22
Приложение 1
Центр масс
лифта
Противовес
Кабель
Геостационарная
орбита
Кабина доставки груза
экватор
Космический лифт мог бы доставлять грузы на геостационарную орбиту
23