Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Как устроен мир в условиях беспорядка, с которым обычно ассоциируют эти вещества? Ответить на этот вопрос ничуть не проще, чем намногие фундаментальные вопросы астрофизики и физики элементарныхчастиц. Из всех состояний вещества своим геометрическим порядком врасположении атомов на достаточно больших расстояниях резко выделяется только кристаллическое состояние.
Это позволило достичь крупныхуспехов в познании кристаллического состояния экспериментальными методами и создать удовлетворительные теоретические модели. Однако некристаллические материалы (а это огромное множество используемых впрактике аморфных тел, стекол и жидкостей) не обладают такой упорядоченностью, если подходить к ним с «кристаллическими» мерками. Создается ощущение, что никакой универсальности в их строении нет, и единственное, что можно сделать – изучать каждое вещество, пытаясь построить модель его структуры и найти индивидуальные признаки для управления свойствами. Подход этот не выглядит продуктивным, но широко распространен.
Физические свойства и геометрия аморфных материалов тесно связаны между собой. Беспорядок в аморфных телах является топологическим, а топологические дефекты невозможно ликвидировать малымиперемещениями атомов – для этого требуется глобальная перестройкаструктуры.Контрольные вопросы1. Дайте определение аморфного состояния твердого тепа.2. Что такое близкий и дальний порядок в твердом теле?3. Назовите основное отличие понятий «аморфное состояние» и «стеклообразное состояние».4. Что характеризует радиальная функция распределения?535. Назовите основные способы получения аморфных сплавов6. В чем заключается основное отличие зонной структуры аморфного полупроводника от его кристаллического аналога.Литература к разделу 31.
Золотухин И. В., Бармин Ю. В. Стабильность и процессы релаксации вметаллических стеклах. – М: Металлургия, 1991. – 160 с.2. Бакай А. С. Поликластерные амофные тела. – М.: Энергоатомиздат,1989. – 192 с.3. Coben M. H, Turnbull D. Molecular transport in liquids and glasses // Journ.Chem. Phys.
– 1959. – Vol. 31. – P. 1164-1169.4. Turnbull D., Coben M. H. On the free-volume model of the liquid-glass transition // Journ. Chem. Phys. – 1970. – Vol. 52, No. 6. – P. 3038-3045.5. Physical properties of amorphous materials. Eds. D. Adler, B. Schwartz,I. О. Steel. – Plenum Press, 1985. – 885 р.6. Петров А. А., Гарилюк А. А., Зубрицкий С. М. Структура и свойстванеупорядоченных твердых систем. – Иркутск: ИГУ, 2004.
– 70 с.7. Поздняков В. А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. – М.: МГИУ, – 2007. – 424 с.8. Золотухин И. В. Физические свойства аморфных металлических материалов. − М.: Металлургия, 1986. − 176 с.9. Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура и механические свойствааморфных сплавов. – M.: Металлургия, 1992.
– 208 c.10. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные металлы / Пер. сяп. – M.: Металлургия, 1987. – 328 с.11. Куницкий Ю. А., Коржик В. П., Борисов Ю. С. Некристаллические металлические материалы и покрытия в технике. – Киев: Техника, 1988. –198 с.12. Фельц А. Аморфные и стеклообразные твердые тела.
– М.: Мир, 1986.– 558 с.13. Ковернистый Ю. К. Наноструктурные материалы на основе объемноаморфизирующихся металлических сплавов // Металлы. – 2001. – № 5. –С. 19-23.14. Yamauchi K., Yoshizawa Y. Recept development of nanocrystalline softmagnetic alloys // Nanostruct. Mater. – 1995. – Vol. 6, No. 1-4. – Р. 247-262.15.
Глазер А. А. Влияние быстрой кристаллизации аморфного сплаваFe5Co70Si15B10 на магнитные свойства // ФММ. – 1993. – Т. 76, № 2. – С.171-178.16. Шевченко С. В., Стеценко Н. Н. Наноструктурные состояния в металлах, сплавах и интерметаллических соединениях: методы получения,структура, свойства // УФМ. – 2004. – Т. 5. – С. 219-255.54РАЗДЕЛ 4ФУЛЛЕРЕНЫ, ФУЛЛЕРИТЫ, НАНОТРУБКИУглерод является достаточно распространенным элементом. В твердом состоянии в природе он присутствует в виде графита и алмаза. Искусственно были созданы также такие модификации углерода, как лонсдейлит и карбин.
Лонсдейлит был обнаружен в составе метеоритов. В 1985году группа исследователей – Роберт Керл, Харолд Крото, Ричард Смолли, Хит и О’Брайен – исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твердого образца, и обнаружилипики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам состоящими из 60 и 70 атомов углерода (рис. 4.1) [1 – 3].Рис.
4.1. Масс-спектр углеродных кластеров, получаемыхпри лазерном испарении графита [1]При последующих исследованиях этих образований выяснилось, чтонаиболее стабильными из обнаруженных соединений оказались молекулыс большим четным числом атомов, в первую очередь состоящие из 60 и 70атомов – C60 и C70. Соединение C60 имеет сферическую форму схожую сфутбольным мячом, а C70 – ближе к форме дыни (рис. 4.2).55Рис. 4.2.
Фуллереновые молекулы: а – C60, б – C70,в – прогноз молекулы фуллерена, содержащей более 100 атомов углерода [3]Атомы углерода располагаются на поверхности сферы в вершинахпятиугольников (пентагонов) и шестиугольников (гексагонов). Эта молекула напоминает футбольный мяч, имеющий 12 черных пентагонов и 20белых гексагонов.
Молекулы С60 могут кристаллизоваться, образуя кубическую решетку. Полиэдрические кластеры углерода получили названиефуллеренов, а наиболее распространенная молекула С60 – бакминстерфуллерена по фамилии архитектора Бакминстера Фуллера (BuckminsterFuller), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 году в виде сочлененных пентагонов и гексагонов.
Как архитектор он предложил строительные конструкции в виде многогранныхсфероидов, предназначенные для перекрытия помещений большой площади, а как математик – использовал системный подход к анализу структур различного происхождения и показал, что структура является самостабилизирующейся системой. Однако справедливости ради необходимоотметить, что подобная форма есть среди полурегулярных форм Архимеда. Кроме того, сохранился рисунок деревянной модели такой формы, выполненный Леонардо да Винчи, а Эйлер получил формулу, определяющую число многоугольников для различных поверхностей.Таким образом, фуллерен является четвертой аллотропной формойуглерода (первые три – алмаз, графит и карбин).
В дальнейшем для определенности фуллереном мы будем называть твердую фазу С60, а отдельные молекулы С60 – молекулами фуллерена. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических молекул. В связи с этим мы должны признать,что молекула фуллерена является органической молекулой, а сам фуллерен представляет собой молекулярный кристалл, являющийся связующимзвеном между органической и неорганической материей.Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность существования высокосимметричной молекулы углерода, напоминающей футбольный мяч, впервые была предсказана япон56скими учеными Е.
Осава и З. Иошида в 1970 году. В дальнейшем российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретическиекванто-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.В 1985 г., английскому ученому Крото с сотрудниками [4] удалось синтезировать молекулу С60. Для этого твердая графитовая мишень подвергалась воздействию мощного лазерного излучения. В результате происходило образование хаотической плазмы, имеющей температуру 5000 –10000о С; в этой плазме и синтезировались молекулы С60, которые идентифицировались методом масс-спектроскопии, то есть с помощью прибора, позволяющего сортировать атомы и молекулы по их массам.
Процессобразования молекул фуллерена из плазмы (см. рис. 4.3) представляетпрекрасный пример организации упорядоченных структур из хаоса – одной из интереснейших областей современной науки! Как мы уже отмечали, при определенных условиях молекулы С60 упорядочиваются в пространстве, располагаясь в узлах кристаллической решетки, или, как говорят, фуллерен образует кристалл. Для того чтобы молекулы С60 регулярным образом расположились в пространстве, они, как и атомы молекул,должны быть связаны между собой. Между молекулами фуллерена в кристалле существует слабая связь, называемая ван-дер-ваальсовой (по имениголландского ученого Ван-дер-Ваальса).Фуллерены отличаются необычной кристаллографической симметрией и уникальными свойствами [5].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
