Структура, химические свойства и методы синтеза фуллеренов, перспективы их использования. Принцип действия плазмотрона. Анализ процессов сжигания и пиролиза углеродосодержащих соединений. Создание композиционных материалов электротехнического назначения.
Аннотация к работе
Фуллерены - аллотропная модификация углерода - были открыты в 1985 году учеными Ричардом Смолли и Робертом Керлом (США) и Гарольдом Крото (Великобритания). Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной. Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами.Рассмотрим два наиболее распространенных метода: - возгонка графита с последующей десублимацией, - пиролиз углеводородов.Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. Камера заполняется гелием, при этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т.е. графитовой сажей.Лазер включается в середине времени истока гелия. Испаряющийся материал захватывается потоком гелия, смешивается и охлаждается и затем конденсируется в кластеры.В плазмотроне использовались графитовые электроды, ток дуги равнялся 160 А при частоте 66 КГЦ, в качестве плазмообразующего газа применялся гелий при атмосферном давлении.В ряде работ кластеры углерода С50,С60,С70 и др. обнаруживались в пламенах органических соединений. Сжигался бензол С6Н6 и ацетилен С2Н2, подаваемый в смеси с кислородом через сверх звуковое сопло. Продукты сгорания отбирались с помощью кварцевых зондов на различных расстояниях от среза горелки и исследовались в масс-спектрометре.Фуллерены встречаются, как правило, в виде желтых или бурых кристаллов с плотностью 1,65 г/см3. Фуллерены легко растворяются в бензоле с образованием красного раствора. Молекулы С60 и С70 были выделены из очень редкого минерала шунгита, встречающегося в Сибири. Центральное место среди фуллеренов занимает молекула С60, которая характеризуется наиболее высокой симметрией и, как следствие, наибольшей стабильностью. Поверхность этой молекулы имеет структуру правильного усеченного икосаэдра, атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников.Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения. Значения энергии ионизации и относительно высокое значение энергии сродства указывает на то, что фуллерены могут проявлять как донорные, так и акцепторные. Фуллерен является ярко выраженным акцептором электронов и при действии сильных восстановителей (щелочные металлы) может принимать до шести электронов, образуя анион. При восстановлении щелочными металлами (например, цезий или рубидий) происходит перенос электрона от атома металла к фуллерену. Так же с раскрытием двойных связей фуллерена присоединяются амины (реакция 8), аминокислоты (реакция 9) и цианиды (реакция 10).Следует отметить, что фуллерены используют в качестве добавок в аккумуляторы и электрические батареи. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счет введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин.С момента открытия фуллерена наука шагнула далеко вперед. Это поистине уникальный материал с необыкновенными свойствами и имеющий необычную форму, форму шара, а точнее, если брать молекулу С60, форму футбольного мяча.
План
Содержание
Введение
1. Методы синтеза фуллеренов
1.1 Дуговой контактный разряд
1.2 Лазерное испарение графита
1.3 Плазмотрон с током высокой частоты
1.4 Сжигание и пиролиз углеродосодержащих соединений
2. Структура фуллеренов
3. Свойства фуллеренов
4. Применение фуллеренов
Заключение
Список литературы
Введение
Фуллерены - аллотропная модификация углерода - были открыты в 1985 году учеными Ричардом Смолли и Робертом Керлом (США) и Гарольдом Крото (Великобритания). Основное направление работ в лаборатории Е. Смолли в Университете Раиса Техаса, где в 1980-е годы было сделано открытие, связанно с исследованиями структуры металлических кластеров.
Открытие фуллеренов признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные, часто разветвленные и объемные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, фактическая возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул все равно оказалось неожиданной.
Единственным непротиворечивым объяснением такой особенности кластеров углерода явилась гипотеза, согласно которой атомы углерода образуют стабильные замкнутые сферические и сфероидальные структуры, впоследствии названные фуллеренами.
Бум в исследованиях фуллеренов начался в 1990 году. Это произошло после того, как немецкий астрофизик В. Кретчмер и американский исследователь Д. Хафман разработали технологию получения фуллеренов в достаточных количествах. Технология основана на термическом распылении электрической дуги с графитовыми электродами и последующей экстракции фуллеренов из продуктов распыления с помощью органических растворителей, например, бензола, толуола. Новая технология позволила многочисленным научным лабораториям исследовать фуллерены не только в молекулярной форме, но также и в кристаллическом состоянии.
Вывод
С момента открытия фуллерена наука шагнула далеко вперед. Это поистине уникальный материал с необыкновенными свойствами и имеющий необычную форму, форму шара, а точнее, если брать молекулу С60, форму футбольного мяча.
Фуллерены находят себе применение практически везде начиная от медицины и биологии заканчивая космическими технологиями, и это еще не предел, благодаря огромному множеству его модификаций открываются новые его свойства.
Хотя история фуллеренов небольшая, это направление науки стремительно развивается, привлекая все новых ученных. В перспективе фуллерены можно использовать как наноструктурные материалы. Эти молекулы играют одну из ключевых ролей в нанотехнологиях.
Список литературы
1. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.
2. Новые направления в исследованиях фуллеренов//УФН, т. 164 , с. 1007, 1994.
3. Елецкий А. В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода//УФН, т. 165, с.977, 1995.
4. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов//СОЖ №1, с.92, 1997.
6. Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов//Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 1999 г,. с. 77-87.