Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 14
Текст из файла (страница 14)
4.7. Компьютерное изображение одностенных углеродных нанотрубок:а – структура типa «кресло»; б – типа «зигзаг»; в – хирального типа [20]С другой стороны, хиральный угол и хиральные числа ОСУНТ связаныдруг с другом посредством формулы:sin α =3m2 n + m + mn22, или α = tan −1 ⎡⎣ 3n /(2m + n ) ⎤⎦ ,(4.2)гд: α ограничен 0 ≤ α ≤ π согласно геометрической симметрии сетки шес6тиугольника; α = 0º для «кресло»-нанотрубки и α = 30º для «зигзаг»конфигурации. Ось нанотрубки расположена на одной прямой с двумя c-cсвязями шестиугольника в случае (10,10) «кресло»-нанотрубки.Иллюстрация 4.8 изображает 10×10 нм2 топографию изолированнойОСУНТ в трех измерениях, полученную методом сканирующей туннельной микроскопии. Диаметр нанотрубки может быть оценен как высотаструктуры – 0,98 ± 0,03 нм.
Одновременное атомное разрешение нанотрубки и подложки Si предполагает очень низкий уровень загрязнения.Кремниевые димеры и хиральность углеродной решетки одновременнодетально разрешены на СТМ-изображении.Однако когда более доступными стали структурные экспериментальные данные высокого разрешения, УНТ стали не такими идеальными,как казалось ранее.
Дефекты, типа 5 – 7-атомных колец, петель, соединений, дефекты Стоун-Уэльса и примеси могут быть обнаружены в приготовленных УНТ.64Рис. 4.8. Трехмерное представление СТМ-топограммы размером 10 × 10 нм2,изображающей одностенную углеродную нанотрубку, физиосорбированную наповерхность Si(100) – 2 × 1:Н, предварительно приготовленную в условияхвысокого вакуума [23]Более интересные структурные свойства проявляются около концоввсех трубок в областях закрытия графитовых цилиндров из-за объединения топологических дефектов типа пятиугольников в шестиугольной углеродной решетке. Могут возникнуть комплексы и структуры, напримерконические, острые верхушки определенной формы, согласно способураспределения пятиугольников около концов трубок для их полного закрытия. Предполагается в теории и доказывается экспериментально, чтоконцы трубок должны иметь различную электронную структуру из-заприсутствия топологических дефектов.
Электронные структуры, вызванные дефектами в области острия УНТ, являются важными по ряду причин.Например, полевые эмиссионные свойства нанотрубок могут сильно зависеть от присутствия локализованных резонансных состояний. Эффект наличия дефектов типа пятиугольная-семиугольная (гептагональная) парадефектов (далеко разделенные пары дефектов, обуславливающие образование поверхностных ступенек) приводит к интересной возможности изменения кривизны и спиральности без существенных искажений связи.Имеются сообщения о нанотрубках с изменяющейся хиральностью вдольоси трубки.Несколько типов не лежащих в плоскости цилиндра дефектов такжемогут существовать в углеродных нанотрубках.
Самыми существеннымиявляются граничные дислокации, сформированные из-за хиральности индивидуальных слоев и последующего вращательного беспорядка междуслоями. Из-за этого атомы в смежных слоях хаотизируются и, следовательно, структуры в общем случае не показывают трехмерного упорядочения, которое наблюдается в последовательной упаковке монокристал65лических графитовых структур. ПЭМ-изображения также выявляют граничные дислокации несоответствия, завитые слои и краевые дислокациитипа Франка, распределяющиеся вдоль оси трубки.
Кроме совершенныхцилиндрических трубок также были обнаружены полигонизованные трубки. Интервал между цилиндрами в каждой трубке также заслуживает упоминания. Из реального пространственного анализа изображений, зарегистрированных для нанотрубок, следует, что диапазон межслойных расстояний может изменяться в мультистенной нанотрубке в пределах 0,34 –0,39 нм.
В общем, интервал между цилиндрами увеличивается с уменьшением диаметра графитовых цилиндров, что происходит в связи с увеличением искривления графитовых слоев.Контрольные вопросы1. Что такое фуллерен? Чем отличается молекулы С60 от С70?2. Каковы особенности фуллеренов?3. Что такое фуллериты?4. Охарактеризуйте структурные особенности одностеночных и многостеночных УНТ в сравнении с другими структурными состояниями углерода(алмаз, графит, фуллерены).5. Определите соотношение между диаметром одностеночных УНТ и хиральными числами m и n, а также хиральным углом и хиральными числами.6. Каковы особенности УНТ типа «кресло»- и «зигзаг»-конфигураций?Литература к разделу 41.
Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены // УФН. – 1993. – Т. 163, № 2.– С. 33-60.2. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структура углерода // УФН.– 1995. – Т. 165, № 9. – С. 977-1028.3. Смолли Р. Е. Открывая фуллерены // УФН. – 1998. – Т. 168, № 3. –С. 323-329.4. Kroto H. W. С60: Вuckmisterfullerene / H. W. Kroto et.al. // Nature. – 1985.– Vol. 318, № 6042. – P. 162-167.5. Kratschmer W., Lamb L.
D., Fostiroponlos K., Hoffman D. R. Solid C60: anew form of Carbon // Nature. – 1990. – Vol. 347. – P. 354-362.6. Hebard A. F., Rosseinsky M. J. et al. Superconductivity at 18 K in potassiurn-doped // Nature. – 1991. – Vol. 350. – P. 600-607.7. Allemand P. M., Khemani K. C. et al. Organic molecular soft ferromagnetism in fullerence C60 // Science. – 1991. – Vol. 253. – P. 301-310.8. Rao C. N. R., Ram S. Phase transitions, superconductivity and ferromagnetism in fullerence systems // MRS Bull. – 1994.
– Vol. 19, No. 11. – P. 28-34.669. Козырев С. В., Роткин В. В. Фуллерены: структура, динамика кристаллической решетки, электронная структура // ФТП. – 1993. – Т. 27, вып. 9. –С. 1409-1413.10. Osawa E., Yoshida M., Fujita M. Shape and fantasy Fullerenes // MRS Bull.– 1994. – Vol. 19, No. 11. – P. 33-42.11. Дикий В. В., Кабо Г.
Я. Термодинамические свойства фуллуренов С60,С70 // Успехи химии. – 2000. – Т. 69(2). – С. 107-117.12. Kolodney E., Tsipinyuk B., Budrevich A. The thermal stability and fragmentation of C60 mollecule up to 2000 K on the milliseconds time scall //J. Chem. Phys. – 1994. – No. 100. – Р. 8542-8559.13. Лозовик Ю.
Е., Попов А. М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов // УФН. – 1997. –Т. 167, №7. – С. 751-774.14. An K. H., Jeon K. K., Moon J.-M. et. al. Transformation of single walledcarbon nanotubes to multi walled carbon nanotubes and onion – like structuresby nitric acid treatment // Synthesis Metals. – 2004.
– 140, No. 1. – P. 1-8.15. Буря А. И., Арламова Н. Т., Холодилов О. В., Сытник С. В. Исследование термодеструкции фенилона и углепластиков на его основе // Материалы, технологии, инструменты. – 2001. – Т. 6, № 1. – С. 58-61.16. Ткачев А. Г., Золотухин И.
В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. – М.: Машиностроение, 2007. – 316 с.17. Макарова Т. Л., Захарова И. Б. Электронная структура фуллеренов ифуллеритов. – Спб.: Наука, 2001. – 70 с.18. Елецкий А. В. Углеродные нанотрубки и их эмиссионные свойства //УФН. – 2002. – Т. 172, № 4. – С. 401-438.19. Елецкий А.
В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур //УФН. – 2004. – Т. 174, № 11. – С. 1192-1231.20. Komarov F. F., Mironov A. M. Carbon Nanotubes Presents and Future //Physics and Chemistry of Solids. – 2004. – Vol. 5, No. 3. – P. 411-429.21.
Odom T. W., Huang J.-L., Kim P., Lieber Ch. M. Structure and electronicproperties of carbon nanotubes // J. Phys. Chem. – 2000. – Vol. B104. – P. 2794-2809.22. Горелик О. П., Дюжев Г. А., Новиков Д. В. и др. Кластерная структурачастиц фуллереносодержащей сажи и порошка фуллеренов С60 // ЖТФ. –2000. – Т.
70, вып. 11. – С. 118 -125.23. Аlbrecht P. M., Luding J. W. Ultrahigh – vacuum scanning tunneling microscopy and spectroscopy of single – walled carbon nanotubes on hydrogen –passivated Si (100) surfaces // Appl. Phys. Lett. – 1992. – Vol. 83. – P. 50295031.67РАЗДЕЛ 5НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫКомпозиционные материалы, представляющие собой гетерогенныесистемы, содержащие, по крайней мере, одну фазу с размером структурного элемента менее 100 нм называются нанокомпозитными материалами.В основу создания нанокомпозитов положено объединение в одном материале лучших свойств составляющих его компонентов, направленных наулучшение его физико-механических, химических, магнитных, высокотемпературных свойств, на стабилизацию наноструктуры при получениинанокомпозита, а также в процессе его эксплуатации.
На рис. 5.1 приведена блок-схема изменения механических свойств современных материалов.Рис. 5.1. Области перспективного развития современных материалов [1]В настоящее время получены десятки нанокомпозитов с высокимифизико-механическими свойствами. К. Нишихара впервые классифицировал нанокомпозиты исходя из геометрических размеров зерен матрицы ичастиц второй фазы [2]. Описанные и разработанные до настоящего времени нанокомпозиты представляют собой микро-нанокомпозиты, а не нано-нанокомпозиты, в которых матрица и различные включения имеют наноразмеры.
Для нанокомпозитов требуется новая классификация, в которой матрица является нанокристаллической, а вторая фаза может бытьразной дисперсности и морфологии (рис. 5.2) [2].Нанокомпозиты заслуживают отдельного рассмотрения, так как существует огромное количество научных публикаций, монографий по ихполучению и изучению физико-механических и химических свойств.
Более подробно некоторые физико-механические, теплофизические свойстванано-нанокомпозитов, полученных в виде нанокристаллических покрытий, рассмотрены в разделе 8 «Структура и свойства наноструктурированных пленок, покрытий». В данном разделе кратко рассмотрены свойства68нанокомпозитов, у которых матрица выполнена из полимера, а второй фазой являются различные наночастицы металлов.Рис. 5.2. Типы нанокомпозитов [2, 3]: а – нано-нано;б – нано-микро; в – нано-наноусы; г – нано-нанослойНанополимерные композиты. Новым направлением в создании полимерных композиционных материалов является нанополимерное материаловедение.
Свойства композиционных материалов не могут превосходить свойств отдельных его фаз или межфазных слоев. Для получения полимерных нанокомпозитов в качестве второй фазы используют наночастицы, при этом необходимо учитывать размеры и топологию поверхности этих частиц (рис. 5.3).Рис. 5.3. Слоистые нанокомпозиты на основе алюмосиликата иполимера с низким и высоким его содержанием [4, 5]69Наибольшие успехи в получении нанокомпозитов были достигнутыпри применении золь-гель технологии, в которой исходными компонентамислужат алкоголяты некоторых химических элементов и органические олигомеры.В качестве органического компонента используют многие соединения (полистирол, полиимид, полиамид, полибутадиен и полиметилметакрилат) и в зависимости от условий реакции и содержания компонентовполучают материалы с разной надмолекулярной организацией.Нанокомпозиты на основе керамики и полимеров сочетают в себекачества составляющих компонентов: гибкость, упругость, перерабатываемость полимеров и характерные для стекол твердость, устойчивость кизносу, высокий показатель светопреломления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
