» Строительство »

Графіт, вуглець і фулерени - Нанотехнології для новачків

Удача і інтуїція

У вересні 1895р. трьома хіміками, Робертом Ф. Керлом мл., сером Гарольдом У. Крото і Річардом Е. Смолли, була відкрита нова різновид вуглецю С60. Вони зібралися в університеті Райс для проведення спільних експериментів, результати яких вразили весь світ. Новий різновид вуглецю отримала назву фулерен. Структура фуллерена дуже схожа на каркас звичайного м'яча, зшитого з шматків шкіри. Фуллерен складається з 60 атомів вуглецю. Його структура принципово відрізняється від структури інших різновидів вуглецю: графіту і алмазу. Фуллерен був названий так на честь архітектора і винахідника Річарда Бакминстера Фуллера, який споектіровал і побудував перший геодезичний купол - порожнисту просторову сталеву сферичну конструкцію з прямих стрижнів.

Ріс.Фуллерен

Відкриття фуллерена сталося в результаті експериментів Смолли і Крото з інструментом, який Смолли винайшов для вивчення молекул і кластерів атомів. Крото зацікавила запропонована Смолли методика лазерного випаровування. З її допомогою він мав намір перевірити свою теорію про поведінку вуглецю в міжзоряному просторі. Крото вважав, що багаті вуглецем зірки, червоні гіганти, здатні випускати складні вуглецеві сполуки, які можна виявляти за допомогою радіотелескопів.

Дослідники спробували уявити структуру для виявленої ними нового різновиду вуглецю за допомогою мас-спектрометра, який здатний виміряти довжини хвиль випромінювання і енергії окремих елементів. Одного разу пізно ввечері Смолли за допомогою паперу, ножиць і скотча з'єднав все 60 вершин і отримав симетричну замкнуту форму. Отриману молекулу С60 стали називати бакібол. Графіт, найбільш поширена різновид вуглецю, складається з атомів вуглецю, які розташовані в двомірних площинах. А в молекулі фулерену пов'язані сильними зв'язками атоми вуглецю розташовуються в тривимірному просторі і утворюють замкнене сферичний каркас.

До цього моменту вчені вважали, що вуглець існує тільки у вигляді графіту і алмазу. Вони не могли повірити в існування фулерену і назвали відкриття помилкою. Дійсно, чому нікому раніше не вдавалося виявити це нове з'єднання? Багато вчених стали інтенсивно досліджувати фуллерен, а незабаром стало ясно, що дана молекула існує, і її відкриття має величезне значення для науки. За це відкриття Смолли, Керл і Крото отримали Нобелівську премію з хімії 1996 р. За відкриття фулерену і пропаганду досліджень на наномасштабних рівні Смолли часто називають одним з батьків нанотехнологій.

графіт

До відкриття фулерену найбільш дослідженим з'єднанням вуглецю був графіт. Графіт складається з плоских шарів вуглецю, схожих на колоду гральних карт. Зв'язки атомів в кожній площині надзвичайно міцні, але окремі площині пов'язані один з одним не дуже сильно і можуть згинатися і ламатися.

Мал. Графіт і вугілля Мал

Графіт часто використовується як мастило в деяких механізмах з труться частинами: замках, вентиляторах і т.д. Сильні зв'язку між окремими атомами графіту пояснюють високу температуру його плавлення. Графіт не розчиняється у воді і органічних розчинниках, але здатний проводити електричний струм, тому не носите олівці в кишенях світлого одягу. Інакше вам доведеться зробити шокуюче відкриття.

алмаз

До відкриття фулерену найміцнішим з'єднанням атомів вуглецю вважався алмаз. Алмаз має дуже високу температуру плавлення (близько 400000 С), адже для руйнування кристалічної структури потрібно розірвати всі надсильні ковалентні зв'язки між атомами. Алмаз, як і графіт не розчиняється у воді і інших органічних розчинниках. Однак алмаз не проводить електричний струм. Справа в тому, що всі електрони в ньому міцно утримуються між атомами і не можуть переміщатися по решітці.

Люди здавна цінували алмази за їх незвичайне сяйво і блиск. Однак вчених вони приваблювали своєю надзвичайною твердістю і малої сжимаемостью. Алмази прекрасно проводять тепло і дуже слабо розширюються зі збільшенням температури. Вони не вступають в реакцію з більшістю сильних кислот або підстав.

Графіт, алмаз і фулерени

Багато мінерали складаються з атомів і молекул за все одного хімічного елемента. Близько 80% хімічних елементів є металами. Наприклад, золото, срібло і мідь - метали. Вуглець лежить в основі таких мінералів, як графіт, алмаз і фуллерен (неметали). Саме упорядкуванням атомів вуглецю в алмазі пояснюються його дивовижні властивості. Однак алмаз є самим твердим речовиною, а графіт - одним з найбільш м'яких. Така відмінність пояснюється різними способами зв'язку атомів. У алмазі кожен атом вуглецю пов'язаний з чотирма іншими атомами, а в графіті - лише з трьома. У графіті атоми вуглецю утворюють конфігурацію, як у молекули бензолу.

Фуллерен схожий на алмаз і графіт. Він володіє деякими характеристиками обох цих речовин, але позбавлений їх недоліків. З 1990-х рр. ведуться дослідження структури і властивостей фулеренів. Тепер ученим відомі не тільки сферичні фулерени (з 60 атомами), але і овальні (з 70 атомами), типу сосиски (з 80 атомами) і ін. Вчені визначили енергію електронів і виміряли електричні струми. Виявилося, що у різних видів фулеренів вони мають різні значення на молекулярному рівні. Більш того, фулерени вели себе зовсім інакше, ніж алмаз і графіт. Для дослідження фулеренів довелося застосувати більш витончені наукові методи.

Дійсно, чому нікому раніше не вдавалося виявити це нове з'єднання?
Современные строительные технологии Геология, города и строительство © Все права сохранены.