Методы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Орловский государственный аграрный Университет»

 

Факультет биотехнологии и ветеринарной медицины

 

Кафедра биотехнологии

 

Допустить к защите

«__» ___________2014 г

__________/ _________

 

 

 

 

Курсовая работа

По дисциплине « Нанотехнология, метаболика, протеомика, биоинформатика»

На тему: «Методы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок»

 

 

Автор проекта             Афонина  Н. А.          2155          Био-501_____          

Специальность                      240901 – Биотехнология____________________

 

Курсовая работа защищена с оценкой    ______________

 

Руководитель курсовой работы   ______Солохина И. Ю.__________________

 

Члены  комиссии                 ___________________

                                             ____________________

                                         ______________________

 

Регистрация    «__» ________ 2014 г

 

Лаборант     ____________________

 

 

 

 

 

 

Орел 2014

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………...3

Глава 1.Фуллерены……………………………………………….………...4

1.1История открытия фуллеренов…………………………………………….…4

1.2Строение фуллерена…………………………………………………………...5

3. Химические свойства фуллерена……………………………………………..9

1.4Получение фуллеренов………………………………………………………11

1.5Использование фуллеренов……………………………………………….....14

1.6Перечень основных областей применения фуллеренов…………………...16

Глава 2.Углеродные нанотрубки………………………………………...18

2.1Открытие углеродных нанотрубок………………………………………….18

2.2 Строение углеродных нанотрубок……………………………………….....19

2.3 Физические свойства углеродных  нанотрубок……………………………21

2.4Методы получения углеродных нанотрубок…………………………….....23

2.5 Токсичность нанотрубок…………………………………………………….26

2.6 Применение углеродных нанотрубок……………………………………....27

Заключение……………………………………………………………………….30

Список литературы……………………………………………………………....31

Приложение………………………………………………………………………33

Введение

Нанонаука и нанотехнологии представляют собой новый революционный путь мышления и производства, используя традиционный научный подход, основанный на прогрессивно уменьшающемся масштабе. На практике этот подход делает возможным создание продуктов и процессов с улучшенными свойствами. В ближайшие десять лет именно развитие нанотехнологий и изготовление новых наноматериалов станет одним из основных двигателей стимулирующих изменения в науке. В связи с этим исследования в области наноструктур и технологий приобретают все возрастающую значимость, поскольку обладают потенциалом для создания новых способов получения материалов, контролированного манипулирования и управления свойствами материалов на наноуровне.

Анализ состояния и тенденций развития объектов наноиндустрии в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что одной из наиболее перспективных областей нанотехнологий является синтез углеродных наноматериалов (УНМ). Среди этих материалов особое место занимают углеродные нанотрубки (УНТ), которые при диаметре 1...50 нм и длине до нескольких микрометров образуют новый класс нанообъектов. УНТ обладают рядом уникальных свойств, обусловленных упорядоченной структурой их нанофрагментов, материалы, созданные на основе УНТ, могут успешно использоваться в качестве структурных модификаторов конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, и т.д. Широко обсуждается использование углеродных наноструктур в тонком химическом синтезе, биологии и медицине [5].

Данная работа включает в себя основные положения об исследованиях этих структур, их свойствах, производстве и применении, и имеет своей целью дать общее понятие о фуллеренах и нанотрубках.

Целью курсовой работы является изучение фуллеренов и методов получения углеродных нанотрубок.

Глава 1.Фуллерены

1.1История открытия фуллеренов

В середине 60-х годов Дэвид Джонс конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразным образом свернутых графитовых слоев. Было показано,  что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, и приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

В начале 70-х годов физхимик–органик Е. Осав предположил существование полой, высокосимметричной молекулыС60, со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

В августе 1985 года в лабораторию Р. Смолли приехал известный астрофизик Г. Крото, который работал над проблемой отождествления спектров инфракрасного излучения, испускаемого некоторыми межзвездными скоплениями. Одно из возможных решений этой проблемы, достаточно давно стоявшей в астрофизике, могло быть связано с кластерами углерода, который, как известно, составляет основу межзвездных скоплений. Целью визита Крото в Техас была попытка, воспользовавшись аппаратурой лаборатории Смолли, по масс-спектру кластеров углерода получить заключение об их возможной структуре. В экспериментах участвовали Г.Крото (Англия, Сассекский университет), Хит, О'Брайен, Р.Ф.Керл и Р. Смолли (США, Университет Раиса), и их результаты были таковы, что в масс-спектре кластеров углерода наблюдались явно выраженные пики с числом атомов 60 и 70. Сигналы соответствовали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов – С60 и С70. Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы и не более того, однако этого оказалось достаточно, чтобы фантазия ученых заработала. В итоге была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников. Это было точное повторение структуры, предложенной 12 лет назад Д. Бочваром и Е. Гальпериным [1].

Первый способ получения и выделения  твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В.Кречмером и Д.Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия).

В 1992 в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) были обнаружены природные фуллерены.

В 1996 году Р.Е.Смолли, Р.Ф.Керл,Г.Крото получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул С60, имеющих форму усеченного икосаэдра.

Летом 2010 года впервые были обнаружены фуллерены в космосе и третьего сентября 2010 года была опубликована статья Jan Cami, Jeronimo Bernard-Salas, Els Peeters, Sarah Elizabeth Malek «Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula» в журнале Science 3 September 2010. Это открытие было сделано при помощи инфракрасного телескопа Spitzer (NASA). Исследователи из университета Западного Онтарио (Канада) и Корнельского университета смогли обнаружить фуллерены в туманности Tc1 по характерному спектру в инфракрасном диапазоне.

1.2 Строение фуллерена

Название «фуллерен» было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, предложившего строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти- и шестиугольников. На первый взгляд кажется, что конструкция собрана из треугольников, однако чередование пяти- и шестилучевых центров как раз и соответствует строению фуллерена.

В каталогах химических реактивов вещество С60 имеет название бакминстерфуллерен, химики чаще называют его просто фуллереном. Есть и другое образное название – футболен. Сходство с покрышкой футбольного мяча очевидно. Существует также гибрид обоих названий – бакибол.

В  фуллерене   плоская   сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С60 0,357 нм.  Длина связи С—С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм.

Молекулы высших фуллеренов С70 С74, С76, С84 , С164, С192, С216, также имеют форму замкнутой поверхности [2].

Некоторое время фуллерен был доступен лишь в количествах, достаточных для спектральных исследований, но не химических. Получить фуллерен в заметных количествах удалось Д.Хаффману и В.Кретчмеру, которые провели испарение графита с помощью электрической дуги в атмосфере гелия. Сажа, образующаяся в этом процессе, была проэкстрагирована бензолом. Из раствора выделили соединения, имеющие состав С60 и С70; второе соединение образуется в количествах, приблизительно в шесть раз меньших, чем первое, и потому основная масса исследований проводится с С60 [3].

Открытие фуллерена буквально ошеломило химиков. Казалось, что об элементарном углероде известно практически все. Ранее были подробно исследованы три его модификации – алмаз, графит и карбин (получается конденсацией ацетилена):

Химики были убеждены, что все варианты построения устойчивых модификаций углерода исчерпаны. Это три структуры бесконечной протяженности, имеющие сетчатое (алмаз), слоистое (графит) и линейное (карбин) строение.

Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями (sp3-гибридизация). Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.

Атомы углерода в кристаллической структуре графита связаны между собой прочными ковалентными связями (sp2- гибридизация )  и формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную  и стабильную сетку, похожую  на  пчелиные соты. Сетки  располагаются  друг над другом слоями. Расстояние  между  атомами, расположенными  в   вершинах правильных шестиугольников,  равно 0,142 нм., между слоями –  0,335 нм. Слои слабо связаны между собой. Такая структура - прочные слои  углерода, слабо связанные между собой, определяет специфические свойства графита: низкую твёрдость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

Карбин конденсируется в виде белого углеродного осадка на поверхности  при облучении пирографита лазерным пучком света. Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с sp-гибридизацией валентных электронов в виде прямолинейных макромолекул полиинового (  -С= С-С= С-... ) или кумуленового (=С=С=С=...) типов [3].

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

Новая модификация углерода – фуллерен – отличается от них прежде всего тем, что это индивидуальные конечные молекулы, имеющие замкнутую форму. Фуллерен, в отличие от известных ранее трех форм углерода, растворим в органических растворителях (бензол, гексан, сероуглерод). Из растворов фуллерен кристаллизуется в виде мелких темно-коричневых кристаллов. К сожалению, для рентгеноструктурного анализа они не пригодны, т. к. из-за сферической формы молекул их структура разупорядочена.

К настоящему времени общее количество публикаций, связанных с изучением фуллеренов и их производных, превысило 15 тыс. Фуллерен был причислен одновременно как к неорганическим материалам в качестве новой аллотропной модификации углерода, так и к миру органической химии, поскольку в химических превращениях он проявлял многие свойства непредельных углеводородов.

Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) –это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

 

Рис. 1. Структура фуллереновых молекул С60 (а) и С70 (б)

Увидеть молекулу фуллерена «своими глазами» удалось далеко не сразу, лишь после того, как был получен хорошо кристаллизующийся продукт взаимодействия фуллерена с тетраоксидом осмия OsO4 в присутствии трет-бутилпиридина [5].

1.3 Химические свойства фуллерена

Если обратиться к С60, то в нем присутствует два типа связей: более короткие (1.39 Å) связи, пролегающие вдоль общих ребер соседствующих шестиугольных граней, и более длинные (1.45 Å), расположенные по общих ребрам пяти- и шестиугольных граней. При этом ни шестичленные, ни, тем более, пятичленные циклы не обнаруживают ароматических свойств в том смысле, в каком их проявляют бензол или иные плоские сопряженные молекулы. Поэтому обычно более короткие связи в С60 считают двойными, более длинные же – одинарными. Одна из важнейших особенностей фуллеренов состоит в наличии у них необычно большого числа эквивалентных реакционных центров, что нередко приводит к сложному изомерному составу продуктов реакций с их участием. Вследствие этого большинство химических реакций с фуллеренами не являются селективными, и синтез индивидуальных соединений бывает весьма затруднен.