нанотрубки (557057), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однако известны каркасы из продолговатых фуллереноподобных структур, гюликристаллы (фуллериты) и пленки полифуллерена, в которых молекулы Сю связаны химически, например, с помощью структуры, подобной бензольным кольцам 14, 5), Уея!вредные лалолгрубкг! (УНТ) — это цилиндрические элементы диаметром От одного до нескольких десятков нанометров и длиной до сотен микрометров (2!, Они состоят из одного или нескольких свернутых в трубку слоев графита, образованных шестиугольниками, и не имеют швов. Трубки химически и термически стабильны, по крайней мере до 2000 К, обладагот высокой прочностью (предел прочности на разрыв 45 й 7 ГПВ), жесткостью (модуль упругости Юнга 1...5 ТПа), ударной вязкостью, капиллярными, адсорбционными свойствами, теплопроводностью, элсктропроводностью и уникальными электронными и Оптическими характеристиками (2, 4, 8 — 1О).
Например, в зависимости от структуры УНТ могут быть проводниками, полуметаллами и полупроводниками, из которых создают гегсроструктуры типа «мсталл — полупроводник» на стыке двух разных УНТ. Отметилг, что проводимость не зависит от длины или толщины проводящей УНТ. Она равна предельному значению проводимости, соответствующему свободному переносу электронов по длине проводника, Значение плотности тока в проводящей УНТ при комнатной температуре на два порядка выше этого значения в объемных сверх- проводниках. Концы трубок обычно имеют сфероидальную форму, хотя в большинстве случаев являются простыми куполами 14!.
Их называют шапками (41 илн крышечками 110), которые можно рассматривать как половины молекулы фуллсрсна. Например, мо- лекулы фуллеренов Сго, Сзь Сгы Сыю замыкают однослойнью нанотрубки диаметром соответственно 0,4; 0,47, 0,7; 1,Зб нм, В настоящее время получены однослойные УНТ диаметром 0,4...б нм и многослойные УНТ с внутренним диаметром 1,5...
...!5 нм и внешним диаметром 2,5...30 нм 14). Длина многослойных УНТ достигает 2 мм [1О). Структуру фуллеренов и нанотрубок рассматривают как трехмерный аналог ароматических сосдинений, в часгностн бенгала СбНб (1, 3). Атом углерода в их структуре имеет наружную электронную оболочку в состоянии г7! -гибридизации, а из-за кривизны структуры — отчасти г)г'-гибридизации !41.
Облака нс участвующих в гибридизации валснтных р-злектронов соседних атомов углерода образуют попарно перекрывающиеся облака х-связей, сливающиеся в сдиное кольцевое облако. Хотя двойная (О + х) связь дслапг соединсние атомов углерода между собой болсс прочным, оиа пожег ДОнасыщаться другпми элемснтами, Вкл!О !Вя мсгаллы (с псрсходоы х-связи в О-связь), что обусловлено выигрышем энергии (! !.
1. СТРУКТУРА УГЛКРОДНЫХ НАНОТРУБОК 1.1. Однослойные нанотрубкп Углсродные нанотрубки имеют различную атомную структуру, что ОбуслОВлиВаст разли~ни В их элеат)гических хара!ггернс!'икая. Счггшют, что большая ~!Всть иаиотрубок пс обладает Высокосимметричной формой, а имеет структуру, в которой лента, обрмованная из шестиугольников, закручивается по спирали вокруг оси трубки, образуя цилиндр.
Структуры. имшощис впнтовук! ось симметрии, называют за!раз!мгпи. Хпральность УНТ Опрсдсгшст геометрию свертки трубки, т. е. взаимную ориентацию гсксагональиой графитовой сета! и продольной оси трубки. Струк!ура трубки (хиральность и диаметр) определяет ес химическую стабильность и электронные характеристики, например цшрину запрещенной зоны (3, Я). Хиральиость обозначают набором индексов — целых чисел (п, л!), указывающих координаты шестиугольника, который В результате сворачивания плоскости в трубку лолжсн совпасп с шестиугольником, находящимся в начале оси координат (0, О) 1!а рис 5 С = иаг + игал а диаметр нанотрубки !О показана система обозначений точек первичной графитовой решетки.
Другой способ обозначения хиральности состоит в указании диаметра УНТ н угла а между направлением ее сворачивания и тем, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону (направление всктора Сз на рис. 5). Рпс. 5. Часть графвтовой поверхности, прн свертывании которой в цилиндр образуются однослойные УНТ с различной хиральнсстью: ?'г, Ть ?„и ффф— осв и направления векторов пс гасательиой к окружностям сечсннй соответственно кресельных, зигзагообразных и хиральных налотрубок; аг, аз — базнсггые векторы Структуру УНТ описывают с помощью вектора С, соединяющего начальную и конечную точки на первичном графитовом листе и направленного по касательной к окружности сечения нано- трубки.
Вектор С можно выразитыгак где аг и аг — базисные векторы элементарной ячейки графитового листа и и > и (см. рис. 5). Известны два направления совмещения шести)тальника (и, иг) с началом координат, ие требующие искажения его структуры, поскольку шестиугольники располагаютсл по окружности, — талие УНТ нельзя считать хнральными. Если вектор С„направлен так, что и = га или а = 0 (см. рнс. 5), то при свертывании графитового листа вокруг оси ?„перпендикулярной С„, образусгся структ)ра (5, 5), называемая кресельной (рис. 6, а). Если вектор С, направлен так!им образом, что ги = 0 или гг = 30', то сворачивание трубки вокруг оси ?; приводит к образованию зигзагообразной (9, О) структ)ры (рнс.
6, гг). В остальных случаях шестиугольники располагаются по спирали вокруг оси нанотрубки н имеют хиральную структуру (рис. 6. «) !4~. Рпс. б, Общий влд однослойных УНТ: а — кресельной (ог= 30'), б — злгзагоойразлм!(и = О!. а — хирмл лой (и = 4 1'! Так как !аг !=!аг( = 0.246 нм (см. рнс. !). то модуль веггго(ггг С ~с~=оггг,Р~ +:, . юг?о 0,246 г — г — —. ?3= (и +иш+ги ) = ~/!г +ггггг+ш х х где Фе = 0,142 нм — расстояние между соседними атомами углерода в графитавой плоскости.
Угол а однослойных трубок связан с индексами (и, л>) зависих => /Ь,Р '+ !. Удельную поверхность УНТ можно оценить двумя способами. При первом способе вначале определяют удельную поверхностную плотность графитового слал УНТ, равную ос- — — "-— 0,76 10 кг/м>, где ьчс=2 10 и кг — масса атома углерода; коэффициент 2 — числа атомов, принадлежащих шестиугольнику; о =5,24 10 "и'— площадь элементарной шестиугольной ячейки графитовой плоскости са стороной 1,42 10 ' м. Удельная поверхность одной стороны графитового слоя УНТ явллется величиной, обратной ее удельной поверхностной плотности, и составляет Яс = 1/ ос и 1, 3 10' м'/кг. Согласно второму способу удельную поверхность графитавой кристаллической структуры определяют из раачета массы 1 м ее обьема.
При табличном значении плотности графита рс = 2267 кг/и и расстоянии между его гсксагональными плоскостями а> = 3,355 х ив х 10 м получается приблизительно то >ке значение удельной поверхности, равное 5' = 1/(рс~9 = 1,315 10' м'/кг. Совладение значений удельной поверхности идаализираваннай кристаллической структуры графита и одной из сторон графитового слоя УНТ указывает на реальность современных представлений о структуре графита !6).
Плотность однослойной УНТ кР 0,284-10 4ос 4ос 3,04 1О' кР 0,284 10 ' Р .Р где Р— диаметр УНТ, нм; 0,284 10 ' и — диагональ шестиугольника (см. рис. !). У однослойных УНТ, синтезированных электрадуговым методом или лазерной абляцией (сь>. гл. 3 данного пособия), мини- мальное расстояние г/ между поверхностями соседних УНТ близко к 0,335 нм, как в кристаллическом графите !1).
Плотность такой структуры определяют согласно выражению р, =о', =2:76 10 кР, Р , кг/и', ' 0,866!(/+ Р)> ' !(/+Р) максимум которого при Р = д составляет около 2 10> кг/и' !6!, Определение площади поверхности нанотрубок по результатам измерения адсорбции молекулярного азата прп Т = 77 К дало как завышснныс, так и занюкенные !иногда на порядок) результатзм Это связывают с высокой чувствительностью результатов изисраний к степени очистки образцов УНТ перед экспериментами !6!.
Па имеющимся у авторов материалам невозможно указать прообладающпс тип и разиср однослойных УНТ. Особое внимании привлекают кресальные УНТ с хиральностью 110, 10). В них дво связи С вЂ” С, входящио в состав каждого шсстнугольшпш, оришпырованы параллельна продольной оси трубки, Такие УНТ диаметра>м 1,36> нм и длиной до нсскалыо(х сотен микрометров закрыты пс> концам половинами фуллеренов С>в, пышащими поныл(сину>о сп>- бильность.
Эти УНТ обладают металлической проводимостью. образуют жгуты диаметрам 5... 20 мкм, свернутые в клубки и запутапныс причудливым образом, и могут слукавить нанопроволокай !2, 9! Исследования методами рентгеновской и нейтронной дпфрактаметрии, атомной силовой микроскопии, сканпру>ащсй и просвечивающей электронной микроскопии. а также оптической спс(<гроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния позволили установить, что однослойные УНТ, составляющие жгуты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
