нанотрубки (557057)
Текст из файла
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).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
