нанотрубки (Углеродные нанотрубки)

ф ф ~~~,, ~о Московский государственный технический универсщФТ "Ф имени Н.Э. Баумана % ,аз о/ В.М. Гришин, С.Н. Гришин Ш~Ф') ВОЗВРАТИТЕ КНИГУ НЕ ПОЗЖЕ обозначенного здесь срока х Ю Ю \ х с х о х с~ с с с~ Л с ,— и)х Ф е ~п со х ~ )х з хч а с УГЛЕРОДНЫЕ ИЛ1 10ТР УБКИ 7)ею,))еигй)1)аио ре1)ео1)е)и1).н Л4! ") З) и.)1, Н.:7. Ба)'.и))и11 В )Ч)ЧЕЕИ)ЯЕ )х)Е)ИИ)Е7) !71)Е))1)ИЛ Москва Издаг,тьство МГГУ ич 1! .) Ьнч ш) 201)8 Й К ~с' )1 )й ДЕЛ,,)7; й Г)Н Г)11 УДК 621.3.049.77(075.8) ББК 22.379+24.5+24.7 Г859 Рецензенты: ВЛ. Р))нланлнзвв, В.зз'.

Лввс1ок Грнншн В.М., Гршппн С.В. Г859 Углерадныс нанатрубки: Учеб, пособие, — Мх Изд-во Мп'У им. Н.Э, Баумана, 2008. — 124 с.;ил. 18ВХ 978-5-7038-3129-8 Рвссмшрены геометрия н структура нннамнтсривлн — одно- и лшогосчойных углеродных нанотрубок (УНТ), Проанализированы их сарбциазпьые, злектрнческие, мигннтиые и механические аванс!ни Ошзсины основы н приведены схемы технологии производстве У11Т в макроскошшесизх казишестнах.

Рассмотрены механизмы зарождении и рости УНТ н обнасш нх приктического применения. Для студаншн н ас!иршпон мвпшнострьзительных и прибарастраизслызьзх специальностей, обучающихся ни кафедрах «Метрологв1 и взннмозаменяемость (ннноизмерезнзя)», «Элсктронньш техиолапш в машиностроении», «Конструирование и производство злак!рюшей аппаратуры», «Технологии приборостроения», «Мвтеривловелсште», «'!'сшюфилики». УДК 621.5.0 49.

77!075, В) ББК 22.379«24.5«24,7 Уеебнае ллзданзле Грюнин Вячеслав Михайлович Гришин Сергей Вячеславович УГЛЕРОДНЫ Е НАНОТРУБКИ Рливкзир Г'.и Сер«арык«ее Кпррпкзар ЕК. Казззепеее Каьшмитприап ппреткз Г Л Ге!мбрыкееад Пипи«сани в начать !7 02.2ООЙ. Фььрлзатбаывбл!6.

Бумага пфпвзимз Уеп ипч. и 7,20. Уч -изд, и 7,05 '!'Рзраж 100 зю Заказ Излазвпз,стпп Ьн ГУ илз. Н Э, Баумана Гинаьрвфнв ЬП "ГУ нм Н.Э. Баумаип 105005, Ь!иеквв, 2-и Бпумвипкан узз, 5 )ЗВ)ьР 978-5-7038-3! 29-8 О Гришин В, М, Гришин С В, 2008 ©МГГУ им. Н О Баумана, 2008 ввкдкник До 1985 г. были известны три формы кристаллического углерода: графит„алмаз, встречающиеся в природе, и карбин. Кристаллическая решетка графнзлп образована параллсльными слоями сеток, состоящими из шестиугольников (гексагонав) с атомами углерода в вершинах. Слои сдвинуты относительно друг друга так, так что в проекции совмещается только половина атомов углерода, Остальная их часть проецируется в центры ячеек сетки нижних и верхних слоев 11!.

Образуется гсксагональная плотноупакованная структура (ПТУ) с последовательностью слоев А ВАВ (риа. 1, и), Плотность графита нс превышает 22б7 кгlм'. В графите т)уи валснтных элект)зона атома ) глерода Ршходятся в состоянии вр'-гибридизации (перекрытие электронных облаков), располагаются на одной к- и двух р-орбиталях и образуют три ковалентные о-связи с электронными облаками, расположенньы!и в одной плоскости и имеющими вид клеверного листа ( Ц, Этот вид гибридных орбиталсй использузот для описания двойных связей С = С и образования разветвленных плоских структур типа сетки.

Четвертый валснтный электрон занимает 2р-орбиталь и но )и!аствуст в гибридизации. Его электронное облако имеет форму объемной восьмерки (гантели), расположенной перпендикулярно упомянугой плоскости над и под нею, н образует с другими такими лге элок"Гранами облака с коиалснтными и сиз1зями (рис. 1. 6). Сосед" НИС СЛОН ГраьРРРРГОВОЙ )ЗСШСГКИ связаны силами Ваи-дер-Ваапъеа. Связь имеет частично металлический характер. Это обусловлено обобществлением элш!тронов атомами кристалла. Графит — полумсталл, не имеющий запрещенной зоны 121. Ковалснтная и металлическая связи придают веществу высокую электропровод- ность и теплопроводность вследствие наличия между слоями атомов подвижных электронов, участвующих в переносе заряда в системе, термодннамнческую устойчивость, химическую стой- кость во взаимодействии с кислотами и малую твердость при спо- собности расщепляться на пластины вдоль слоев решетки.

Алмаз имеет максимальную твердость (100,6 ГПа), высокие теплопроводность и лучепреломление, низкую ударн)чо вязкость, обладает свойствами люминесценции, не поддается действию самых сильных кислот, но сгорает в расплавах едких щелочей. Он менее стабилен, чем графит, и превращается в него при температуре !700 'С и нормальном давлении. Рис. 1.

Кристаллическая решетка графита (а), схема неполной з гибридизации валевтных атомов углерода — зр-(6) Алмаз считают чисто ковалентным кристаллом. Его кристаллическую решетку рассматривают как полимер углерода и относят к кубической системе, поскольку она представляет собой центрированный тетраэдр, вписанный в куб (рис.

2, а). Элементарная ячейка представляет собой гранецентрированный куб с дополнительными четырьмя атомами (рис. 2, б). В алмазе атомы углерода находятся в состоянии полной зр'-гибридизации, при которой одна з- и три р-орбитали образуют четыре гибридные орбитали, вытянутые в направлении вершин тетраэдра (рис. 2, в) 111. Такая гибридизация характерна для одинарных связей С вЂ” С, способствующих образованию объемных структур. Среди простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. Его плотность около 3520 кгlм~. Вследствие большой энергии связи ковалентные кристаллы характеризуются высокими температурами плавления, а образование валентных зон превращает их в полупроводники р-типа или диэлектрики, которыми являются природные разновидности алмаза.

Рпс, 2. Кристаллическая решетка алмаза (а). элементарная ячейка (й) и схема волной гибридизации валситиых помов )тяс)юди — ху> (в) Корбио получается пз ацетилена (СН и СИ) и образует углсродныс линейныс цепочки кристаллов длиной 50...200 нм. Цепочки могут иметь двойные (= С = С =) или чередующиеся одинарные и тройные связи ( — С - =С-). В результате неполной зумгибридизнции сохраняются две взаимно псрпсндикулярныс р-орбитвли и образуются две соосныс гибридные орбптали. распологкеипьщ перпендикулярно плоскости исгпбрнднзнроваипых орбиталсй (рис 3) [1! В молекулу входит до двух тысяч атомов углерода. Карбии химически инертен, но обладает свойствами полупроводника: при облучении светом его проводимость резко возрастает.

При нагревании до температуры 400...500 'С карбин разрушается хлором, а ири 29)1) 'С в аргоне превращается в графит. Свсрхпрочиыс углеродныс во:юкио образованы поликрнсталлическим карбином Высокая химическая устойчивость и гкаропрочиость. сравнительно малая плотность и многие д)ц гис свойства «))исталличсско1 о углерода стимулировали поиски новых материалов.

сочспиои)их отдельные свойства известных материалов. Были исследованы возмо>кности получения углеродного материала в виде отдельных молекул, а не в категории полимеров, как описанные выше маториалы, В исследованиях участвовали отечественные ученые Д.А. Бочвар, Е.Г. Гальперин и заруба)нные — Е.

Осава, Д. Хоффман, В. Кретчмер, Х. Крото, Р. Керл, Р. Смелли, С, Ииджима и др, Рис. 3. Схемь! строевая нитевидных кристаллов кабрива (а) и неполной гибридизации валеитиых атомов углерода — зр (6) Фуллерены, открытыс в 1985 г. (Нобелевская премия по химии за 1996 г., авторы Г. Крото, Р. Керл и Р. Смолли), и нанотрубки, открытые в 199! г., являются разновидностями поверхностных углеродных структур, боуллерелы — это молекулы углерода, а уел)сродные лпиотрубк!т — элементы, которые сочетают свойства молекул и твердого тола [2 — 4 !.

Поверхность фуллеренов имеет замкнутую сферическую (рис. 4, а) или сфероидальную (рис 4. б) форму. собранную из правильных шестиугольников (гексагонов), число которых зависит от размеров молекулы, и !2 регулярным образом расположенных пятиугольников (пентагонов). Пятиугольники ответственны за поворот шестиугольной сетки и превращение ее из плоской в объемную. Наиболее распространены молекулы фуллсрсна Сье с диль!ст- ром полости 0,708 нм, состоящие из 20 шестиугольников и содсржащие 60 атомов, связанных в усеченную икосоэдральную структуру.

Из-за высокой симметрии они имеют наибольшую стабильность, являются полупроводниками с шириной запрещенной зоны 1,5...1,95 зВ и обладают фотопроводимостью при оптическом облучении 13, 5). Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками.

Каждый атом в Са, находится в вершинах одного пятиугольника и двух шсстиуголышков и связан с тремя соседями. Напряжение равномерно распределено по всей молекуле. Обнаружены также молекулы фуллсршюв Ст„. Сы. Скь Смо, обладающие стабильными свойс~вами нз-за высокой степени симметрии !5, 61 Рпс. 4. Схема фуллсрсна Сел, лвзваниого бакмиистсрф) ллсрсиом в честь американского архитектора Ба!пшистсра <руллсра, иримсиялшсго токио структуры для к> полов зданий (л), и фуллсрспа (сфсроиав) С-„(! ) Интерес к фуллерснам связан с возможностью их заполпшпш или покрытия их атомами других химических э)!сыснтов и соединений, а !астностп металлов. При запо)!нсшн! Полости с!Р) !е!) Ры, называемой эндоздральной, атом металла располагасгся эксцентрично, молекула приобротаст дппольный мона!т.

а полпкристалл из таких молекул (фуз!.)е)л!и!) — анизогропнью свойства. Наличие электронов на поверхности фуллсрсна )ка п,пл)с! па ч !стично ковалснтный характер мсжмо.)ск) л»рното в илгл|одсйс гвпя и поликристалле помимо ван-дер-ваальсова. Свойства и методы получения эндоэдральных структур описаны в работе (7). Исследования фуллеренов активизировались с 1991 г. после открытия явления сверхпроводимости при Т < 33 К поликристаллического фуллерена С!В, легированного атомами щелочных металлов 13). Полагают, что Сгс — не кластер (группа близко располохгенных и тесно связанных друг с другом атомов„молекул, ионов или ультрадисперсных частиц), а молекула, в которой взаимодействие между атомами сильнее их межмолекулярного взаимодействия, обусловленного ван-дер-ваальсовымн силами, и не приводит к слипанню фуллеренов, как в случае взаимодействия двух кластеров (3, 5).