Grafen, nanotuburi de carbon și fullerene
Nanostructurile pot fi colectate nu numai de la atomi individuali sau molecule singulare, ci de blocuri moleculare. Astfel de blocuri sau elemente pentru crearea de nanostructuri sunt grafenul, nanotuburile de carbon și fullerenele.
Grafenul este o singură foaie plată formată din atomi de carbon conectați una la cealaltă și formează o rețea, fiecare celulă al căreia seamănă cu o celulă de tip fagure (Figura 21). Distanța dintre cei mai apropiați atomi de carbon din grafen este de aproximativ 0,14 nm.
Figura 21. Reprezentarea schematică a grafenului. Bilele de lumină sunt atomi de carbon, iar tijele dintre ele sunt legături care conțin atomi într-o foaie de grafen.
Grafitul, din care sunt făcute creioanele, este un teanc de foi de grafen (Figura 22). Grafenele din grafit sunt foarte slab legate și pot să alunece unul față de celălalt. Prin urmare, dacă tragem grafit pe hârtie, atunci foaia de grafen care o atinge este separată de grafit și rămâne pe hârtie. Aceasta explică de ce poți scrie grafit.
Figura 22. Reprezentarea schematică a trei foi de grafen, una pe cealaltă în grafit.
Carbon nanotuburi
Multe direcții promițătoare în nanotehnologie sunt asociate cu nanotuburile de carbon. Nanotuburile de carbon sunt structuri de cadru sau molecule gigantice constând doar din atomi de carbon. O nanotub de carbon este ușor de imaginat dacă vă imaginați că pliați unul din straturile moleculare de grafit, grafen, în tub (Figura 23).
Figura 23. O modalitate de fabricare imaginară a unei nanotuburi (dreapta) dintr-un strat molecular de grafit (stânga).
Metoda de pliere a nanotuburilor - unghiul dintre direcția axei nanotuburilor relativ la axele de simetrie a grafenului (unghiul de răsucire) - determină în mare măsură proprietățile sale.
Desigur, nimeni nu fabrică nanotuburi prin plierea lor dintr-o foaie de grafit. Nanotuburile se formează ele însele, de exemplu, pe suprafața electrozilor de carbon cu o descărcare de arc între ele. În timpul descărcării, atomii de carbon se evaporă de la suprafață și, împreună, formează nanotuburi de un tip foarte diferit - cu un singur strat, cu mai multe straturi și cu unghiuri diferite de răsucire (figura 24).
Figura 24. Stânga - o imagine schematică a nanotubului de carbon cu un singur strat; dreapta (de sus în jos) - nanostuburi cu două straturi, drepte și spirală.
Diametrul nanotuburilor cu pereți unici este de obicei de aproximativ 1 nm, iar lungimea lor este de mii de ori mai mare, ajungând la aproximativ 40 μm. Ele cresc pe catodul perpendicular pe suprafața plană a fundului. Există așa-numita auto-asamblare a nanotuburilor de carbon de la atomii de carbon. În funcție de unghiul de înclinare, nanotuburile pot avea o conductivitate ridicată, precum metalele, și pot avea proprietăți semiconductoare.
Nanotuburile de carbon sunt mai puternice decât grafitul, deși sunt fabricate din aceiași atomi de carbon, deoarece atomii de carbon din grafit sunt în foi (Figura 22). Și toată lumea știe că o foaie de hârtie înfășurată într-un tub este mult mai dificil de îndoit și de rupt în afară de o foaie obișnuită. Prin urmare, nanotuburile de carbon sunt atât de puternice. Nanotuburile pot fi folosite ca tije și fire de microscopie foarte puternice, deoarece modulul Young a unei nanotuburi cu un singur strat atinge valori de ordinul 1-5 TPa, care este un ordin de mărime mai mare decât cel al oțelului! Prin urmare, un fir fabricat din nanotuburi, grosimea unui păr uman, poate deține o încărcătură de sute de kilograme.
Este adevărat că, în prezent, lungimea maximă a nanotuburilor este de obicei de aproximativ o sută de microni - ceea ce, desigur, este prea mic pentru utilizarea de zi cu zi. Cu toate acestea, lungimea nanotuburilor obținute în laborator crește treptat - acum oamenii de știință sunt deja aproape de limita milimetrică. Prin urmare, există toate motivele să sperăm că, în viitorul apropiat, oamenii de știință vor învăța cum să crească nanotuburile care măsoară centimetri și chiar metri în lungime!
atomii de carbon se evaporă de la suprafața de grafit încălzit, care leagă unele cu altele, pot forma nu numai nanotuburilor, ci și alte molecule, care sunt închise poliedre convexe, cum ar fi o sferă sau elipsoidal. In aceste molecule atomii de carbon situate la nodurile pentagoane regulate și șase- a căror suprafață este compus dintr-o sferă sau elipsoidal.
Toți acești compuși moleculari de atomi de carbon numit fullerene după american inginer, proiectant si arhitect R. Buckminster Fuller, sunt folosite pentru construcția clădirilor lor cupole pentagoane și hexagoane (Fig. 25), care sunt principalele elemente structurale ale scheletelor moleculare ale fullerene.
Figura 25. Biosfera Fuller (Pavilionul SUA la Expo-67, acum Muzeul Biosferei din Montreal, Canada.
Moleculele celui mai simetric și cel mai studiat fulleren, format din 60 de atomi de carbon (C60), formează un polyhedron. format din 20 hexagoane și 12 pentagoane și seamănă cu o minge de fotbal (figura 26). Diametrul fullerenului C60. este de aproximativ 1 nm.
Figura 26. Reprezentarea schematică a fullerenului C60.
Realizat de uCoz
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: