Реферат: Фуллерены - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Фуллерены

Банк рефератов / Химия

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Microsoft Word, 227 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

Образование и рост углеродных наноструктур - фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и кону сов Нами проанализированы различные модели образования фуллеренов и других углеродных наноструктур. Рас смотрены следующие модели: сборка фуллеренов из фрагментов г рафита, модель "улитки", сборка из кластеров, "путь фуллерена", от жиг углеродных кластеров. Обсужден отбор магических фуллеренов и изомеров фуллеренов. Проанализированы механизмы обр азования углеродных наночастиц, а также их связь с механизма ми образования фуллеренов. Рассмотрено моделирование возмо жных механизмов образования наночастиц с помощью молекуляр ной динамики. Обсуждены возможные зародыши для роста и механизмы роста однооболочечных и многооболочечных нанотрубок, а также углеродных конусов. Описаны возможные методы создания угл еродсодержащих нанообьектов. Введение Эксп ериментальное обнаружение стабильного кластера С 60 с икосаэдрической симметрией и в последующем бо гатого семейства фуллеренов явилось одним из самых ярких от крытий послед него десятилетия. В 1996 г. за это выдающееся достиже ние Робе рт Керл, Гарольд Крота и Ричард Смолли были удосто ены Нобелевской премии. Удивительно, что после многих столетий использо вания различных форм угле рода, после всестороннего исследования таких известных кристаллографических форм углерода, как алмаз и графит, была о ткрыта принципиально новая форма этого вещества. Любопытно, что квантов о-химические расчеты предсказали существование С 60 на десять лет раньше. Мы не собираемся обсуждать з десь все перепитой открытия фуллеренов. Нас интересует иное: каков механизм образования столь сложного в снммет- ричного кластера в реальных условиях, соответствующих эксперименту. Можно пост авить вопрос и иначе, в более прикладном аспекте. Пусть известно из расче тов, что данный сложный кластер (или сложная молекула) может существоват ь. Каким может быть возможный механизм его образования? Как подобрать оп тималь ные экспериментальные условия для его получения? Адекватность п остановки такого вопроса далеко не очевидна, если отнести его к сложным биологическим молекулам типа ДНК. Или еще иначе: до каких пределов вообщ е можно реализовать молекулярный дизайна Поставленные вопр осы в настоящее время имеют осо бую остроту в связи с возможностью созда ния принци пиально новых кластерных материалов и разнообразных н аноструктур. В данном обзоре мы ограничимся обсуж дением возможны х механизмов образования кластеров из семейства фуллеренов, а также других углеродных наноструктур - наночастиц, на нотрубок и конусов. Хотя еще не существует общепринятой схемы обра зова ния углеродных наноструктур и обсуждаемые модели могу т рассматриваться лишь как гипотезы, накоплен ный в этой актуальной обл асти интересный эксперимен тальный и теоретический материал нуждаетс я в система тизации и критическом осмыслении. Модели образования фуллеренов Получение и структура фуллеренов . Открытие фуллеренов связано с интерпретацией сле дующ его факта: при некоторых условиях абляции графита был получен масс-спект р, в котором пик, соответствующий Cfio, был в 40 раз больше, чем пики, соответствующие другим кластерам. Для объяснения этого факт а и было предложено существование стабильного кластера с фо рмой усеченного ико саэдра, в котором все атомы располагаются на сферич е ской поверхности в вершинах 12 правильных пятиуголь ников и 20 шестиугол ьников. Кластер с такой структу рой был назван фуллереном. Ис следования показали, что другие углеродные кластеры, состоящие из десят ков атомов и образующиеся одновременно с фуллереном Cfto, также имеют похожую структуру с расположением атомов на сфероидальной повер хности в вершинах пятиугольников и шестиугольников. Одним из главных кр итериев адекватности модели образования фуллеренов являет ся объяснение большей распространенности фуллерена С 60 по отношению к другим фуллеренам. Важнейшим достижением явилась разработка Кречме- ром, Хафма ном и др. метода получения фуллерена С 60 в больших количествах с помощью испарения г рафитовых стержней в дуговом разряде. В дальней шем были предложены дру гие методы получения фулелеренов, множество экспериментов б ыло посвящено исследованию условий и процессов при образовании ф уллеренов. По мере получения новых эксперименталь ных фактов пред лагались новые модели образования фуллеренов, объясняющие э ти факты. Однако в этом вопросе до сих пор не достигнуто ясности. В настоящ ем разделе мы анализируем модели образования фуллере- нов. Мы рассматриваем, главным образом, образова ние фуллеренов в уг леродной плазме и почти не касаемся альтернативных возможностей получ ения фуллеренов (например, в результате реакций между углево дородами) . Сборка фуллеренов из фрагментов графита. Первоначально предполага лось, что ею собирается из оторвавшихся от слоя графита при абляции плос ких листков. Простейшим способом такой сборки является соед инение 6 кластеров ею со структурой двойных шестиугольников. Была предложена также форма графитовых листков (рис. 1), сворачиваю щихся в чашечки - половинки фуллерена, которые соединяются затем с м еньшими фрагментами графита в целый фуллерен С 60 . Согласно этой красивой модели с уществование оптимальных условий получения фуллерена С 60 с большим выходом объясняется тем, ч то в этих условиях существенную долю продуктов испаре ния графита соста вляют именно такие фрагменты. С помощью этой модели, однако, оказалось до вольно трудно объяснить следующие факты. Ри с. 1. Плоский фрагмент графита, который сворачивается в чашеч ку - половину фуллерена С 60. Штриховыми л иниями показаны связи, которые образуются при сворачивании листка в чашечку. 1. При н аиболее благоприятных условиях сажа, полученная при испарении графита, содержит до 13% С 60 . Поэтому в со ответствии с рассматриваемой моделью значительная доля продуктов испа рения гра фита должна быть листками определенной формы, что кажется мал овероятным. 2. Фуллерен С 60 образуется не только при испарении гр афита, но также при абляции материалов, испаряю щихся в виде кластеров ра зличной формы', при абляции полимеров, высших оксидов углерода и сажи, полученной при сгорании бензола . Фуллерен С 60 получается в реакторе. 3. Результаты исследования масс-спектра фулл еренов, обогащенных изотопом 13 С, не объясняются моде лью сборки фуллеренов из фрагментов графи та. В этом эксперименте фуллерены были получены в усло виях, оптимальных для большого выхода фуллерена ею в д уговом разряде между графитовыми стержнями. При этом в графите с содержа нием 98,9 % 12 С были сделаны отвер стия, заполненные аморфным 13 С. Если основ ным каналом образования фуллерена С 60 является соединение графитовых листков, состоящих из деся тков атомов, в масс-спектре должны наблюдаться фуллерены, об разо ванные только из углерода, вмдившего в состав гра фита, и, следовательно, состоящие в основном из 12 С. Однако масс-спектр, полученный в данном экспери менте, указывает на полное перемещивани е атомов углерода в плазме до образования кластеров , предшедствующих фуллеренам. Модель "улитки" Сл едующим предположением об образовании фуллеренов является модель, которую в данном обзоре мы называем для краткости моделью "улитк и". Согласно этой модели углеродный кластер, растущий в плазм е при получении фуллеренов, имеет форму изогну того листка, с вязи между атомами которого образуют пятиугольники и шестиугольники, а налогично структуре фуллерена. В процессе роста этот листок сворачивается таким образом, чтобы минимизировать число свобод ных связей. Рост углеродного кластера в рассматривае- м оймодели похож на рост раковины улитки (рис. 2). Часть растущих класте ров случайно замыкается в фуллерены, остальные вырастают в "квазиспиральные" частицы сажи. Данная модель не связывает о бразование фуллеренов лишь с испарением графита. Предполаг алось, что сажа в пламени образуется в соответствии с обсуждае мой моделью. Однако в ряде работ приводятся аргументы против того, что частицы сажи из пламени имеют "квазиспиральную" форму: 1) в час тице сажи присутствуют атомы О, Н и других элементов; 2) химические свойства частицы сажи ближе к свойствам бензол а, чем графита; 3) исследования ЯМР частиц сажи указывают на присутствие в них полициклических углеводородов; 4) спектр рассеяния рент геновских лучей частицами сажи ближе к спе ктру рас сеяния полициклическими углеводородами, чем графи том. Сборка из кластеров В на стоящем разделе мы обсуждаем модели в соответ ствии с которыми фу ллерены собираются из различных кластеров, чья структура совпада ет со структурой "фрагментов фуллеренов". Недостатки, присущ ие пере численным выше моделям, устранены в модели обра зования фу ллеренов, названной "правилом пятиуголь ника". В соотве тствии с "правилом пятиугольника" таким образом, что пятиуго льники разделяются шестиугольникамии это в конечном итоге приводит к образованию фуллерена С 60 . Преобладающее число кластеров, больших, чем С 60 , содержат только четное число атом ов, поэтому правило пятиугольника было допол нено предполож ением о том, что рост С 60 пр оисходит в результате последовательного присоединения С 2 . В работе приведены схемы рос та С 60 и С 70 из С 2 согласно правилу пятиугольника. Авторы модели "сбор ки из колец" считают, что обоснованием этой модели является объяснение э кспериментального обнаружения с помощью ЯМР изомера с опре деленной симметрией. Однако более позднее исследование ЯМР не подтвердило экспери мент. Модели сборки фуллеренов предпола гают наличие опред еленных кластеров - предшественни ков со структурой , совпадающей со структурой " фрагментов фуллеренов " А именно , предполагается , что при н = 10- 19 эти предшественники являются поли циклическими плоским и листками . Этот факт, однако, не доказывает, чт о горячие углеродные кластеры, из которых после осты вания плазмы образ овались углеводороды, имели те же размеры и структуру. Напротив, ка х теоретические расчеты энергии углеродных кластеров различной с трук туры, так и экспериментальные исследования подвижност и и спектра фотоэмиссии электро нов показывают, что такие кл астеры, состоящие из 15-20 атомов, являются моноциклическими ко льцами. Более того, точный расчет структуры углеродных кла стеров из пер вых принципов (с помощью методов молекулярной динамики совместно с функ ционалом плотности и квантового метода Монте-Карло) демонст рируют, что бициклический кластер ею, на возможном существов ании которого основаны модели, неустойчив даже при нулевой т емпературе. Пред положение, что углеродные кластеры С n с h=10-20 являются плоскими полициклическими листками, состоящими из пятиугольников и шестиугольников, не подтверждается также другими исследованиями класт е ров, полученных при абляции графита. Анализ масс- спектра углеводородо в, возникших при лазерной абля ции графита в присутствии водорода, показ ывает, что исходные углеродные кластеры С n с n = 10-20, к кото рым присое динился водород, были цепочками и коль цами, но не исключает наличие бициклических кластеров. В аналогичном экспери менте в углеродной плазме обнаружены цепочки, содержащие до 44 атомов . При исследовании спектра фотоэмиссии углеродн ых класте ров кольца обнаружены вплоть до n = 29. Расчет показывает, что среди изомеро в углеродных кластеров для n > 20 фуллерены, а для д < 25 кольца имеют большую энергию связи, чем кластеры, имеющие форму чашечки со структурой из пятиугольников и шестиугольников. Исследование подвижности угле родных кластеров показывает, что к ластеры для n < 10 являют ся цепочками, для 7 < n < 40 - кольцами, для 21 < n < 40 - бициклическими кластерами, для n > 30 появляются трех никлические и полициклические кластеры и фулле рены. Существенно, что моде лирование методом молекулярной д инамики показы вает, что горячие углеродные кластеры, начиная с n = 30, даже при температуре 3000 К уж е имеют трехмерную структуру с замкнутой поверхностью. В сил у перечисленных фактов представляется маловероятным, что кластеры, име ющие форму чашечки, в структуру которой входят только пятиугольники и ше стиугольники, являются предшественниками фуллеренов в про цессе их синтеза. Еще более сомнительным кажется существование таких кл астеров определенной формы, являющихся фрагментами наиболее распростр аненного фуллерена С 60 . Вместе с тем нельзя полностью отвергать существо вание неравновесных кластер ов со структурой фрагмен тов фуллеренов. Концентрация таких кластеров в плазме может быстро убывать после их образования, если эти к ластеры активно вступают в реакции друг с другом (например, с образовани ем фуллеренов и других нано- структур). В этом случ ае экспериментальное обнаруже ние таких кластеров будет сильно затруд нено. Отметим, что сборки фуллеренов, аналогич ные модели "сборки из колец", могут адекв атно описы вать образование фуллеренов в результате химиче ских реакций между полициклическими углеводородами. Такие модели описывают, например, синтез фуллерена ею в пламени [56] и при пиролизе нафталина. Путь фуллерена Была предложена модель образования фуллеренов, назва нная "путь фуллерена", согласно которой углерод ные кластеры становятся фуллеренами при 30 - 40 атомах в кластере, и дальнейши й рост кластера является уже ростом фуллерена за счет вставк и микрокластера С 2 (рис. 5). Однако, как будет подробно обсуждено ниже, эксперименты показывают возм ожность трансформа ции в фуллерены кластеров, содержащих бо лее 100 атомов. Тем не менее идея о возможности роста фулл еренов после их образования полезна для объяснения большого выхо да некоторых фуллеренов. Предполагалось, что малые фуллерены могут обра зовываться в результате многократной вставки микрокластеров С 2 в структуру трехмерных полициклических углеродных мастеров . Согласно некоторым расче там фуллерен имеет ма ксимальную энергию связи среди изомеров кластера С 20 . На рисунке 4 приведена возмо жная схема роста в результате вставки C 2 кластера С 14 в этот фуллерен. Отжиг углеродных кластеров . В ряде работ образование фуллеренов объясняетс я отжигом углеродных кластеров. Возможность такого механиз ма образования подтверж дается сле дую щими экспериментами. 1. Исследование подвижности углеродных класт еров в хроматографической ячейке показывает, что бици клические и трициклические кластеры, состоящие из 34-60 ат омов, отжигаются в фуллерены с испусканием атомов или микрокластеров. 2. Лазерная абляция высших оксидов угл ерода про исходит в виде колец C 18 , C 24 и С 30 . Затем эти кольца слипаются в большие к ластеры, которые отжигаются в фуллерены с испусканием 2- 10 ато мов. 3. Фуллерены, содерж ащие сотни атомов, образуются при отжиге кластеров, возникших в результа те слипания фуллеренов ею во время абляции пленки чистого С 60 . 4. Было обнаружено, что металлофуллерены с двумя и тремя атомами металла внутри фуллереновой обо лочки образуются т олько в результате двухкратной и трехкратной лазерной абляции того же с амого участка образца соответственно. Предполагалось, что в этих экспериментах металлофуллерены с двумя атомами метал ла внутри образуются из кластеров, возникших в результате слипани я двух металлофуллеренов с одним атомом металла внутр и, а металлофуллерены с тремя атомами металла внутри - из клас теров, возникших в результате слипания металлофуллеренов с одним и двумя атомами металла внутри. Была предложена следующая схема роста и отжига углеродного класт ера в плазме: цепочка - кольцо - трехмерный полицикличес кий кластер-трансформация в фуллерен. Возможны, наприм ер, следующие способы образования трехмерных полициклических кластеров, рост и отжиг которых приводит к образованию фулле ренов: слипание кольца и цепочки, слипание колец, транс формация бициклических и трехциклических клас теров в полициклические кластеры. Предложенные спосо бы возникновения полициклических кластеров изображены на схеме образования фуллерена (рис. 6). Первоначально для бициклических и трехциклических кластеров была предл ожена плоская структура (рис. 6а), причем расчетная подвижност ь таких кластеров соответствует экспериментальной. Однако позднее для бкциклическго и трехциклических кластеров был а предложена трехмер ная структура (рис. 7), причем подвижность таких клас теров также соответствует экспериментальной. Более того, кластеры тако й структуры получаются также в результате квантово-химических расчето в про цесса соединения двух колец. Предполагалось также, что трехциклические углеродные кластеры имеют структ уру, аналогичную структуре основного состояния кластера C 18 , вычисленной с помощью квантового метода Мо нте-Карло (см. рис. 4). Обсудим возможные пути образования углеродных кластеров, которые отжигаются в фуллерены. Эти п ути в отличие от различных моделей "сборки фуллеренов" не пре дусматривают определенной структуры для класте ров, котодые являются предшественниками фуллеренов. При абляции г рафита углеродные кластеры образуются в результате слипания атомов и микрокластеров, состоя щих из нескольких атом ов, что хорошо подтверждается расчетами кинетики. Заметим, ч то образование кластеров в углеродных парах может происходить либо как гомогенная нуклеация (образование зародышей жидкой фазы в метастабильном пересыщенном паре), либо как спиноидал ьный распад (разделение на фазы вещества, находящегося в термодина мически нестабиль ном состоянии). Другая возможность образования больш их углеродных кластеров - слипание нескольких кластеров, сос тоящих из десятков атомов. Такой процесс происходит, например, при абляц ии высших оксидов углерода. Масс-спектр углеродн ых кластеров, полу ченных при абляции сажи, указывает на возможность сос уществования этих двух путей образования больших углеродных кластеров . Этот масс-спектр имеет два максимума в распределении фуллеренов. Первый макси мум ( n = 154) соответствует образованию в результате слипан ия атомов и микрокластеров, второй (n = 450- 500) в ре зультате слипания кластеров, содержащих десятки атомов. Фуллерены образуются также из изна чально больших кластеро в, испаренных из материала, содержащего углерод. Это происходит, наприме р, при испарении мелкодисперсной графитовой фольги или втор ичной лазерной абляции того же самого участка поверхности графита . Две возможности были предло жены для процесса отжига углеродного кластера в фуллерен: по степенная трансформация полициклического кластера через п осле довательность реакций перехода одного изомера в другой и кристалл изация жидкого кластера. Были проведены расчеты постепенно й трансформа ции в фуллерен для плоского трехцикличе ского кластера C 60 (рис. 8) и трехмерного трехциклического кластера С 36 (рис. 9 и 10). При трансформации пло ского трехциклического кластера получается очень вытянуты й фуллерен С 60 с м ножеством дефектов - с семиугольни ками и соприкасающимися пятиугольни ками. Более того, расчетное время трансформации более > 10 -3 сильно зависит от н ачальной структуры трехциклического кластера и даже для та кого "дефектного фуллерена превышает экспериментальное вр емя образования фуллеренов. При трансформации трехме рного трехциклического кластера Модель трансформа ции полициклического кластера в фуллерен не пре дусматривает испускание атомов и микрокластеров во время э того процесса. Однако, как упомянуто выше, на испускание атомов и ми крокласте- ров во время отжига углеродного кластера в фуллер ен указывает ряд экспериментов. Испускание атомов и микрокластеров возможно из жидкого кластера. В силу приведе нных аргументов мы считаем, что кристаллизация жидкого кластера являет ся более вероятным путем трансформации кластеров в фуллерен, чем постепенная трансформация полициклического клас тера. Тем не менее, мы полагаем, что возможен кроссовер от одно го поведения к другому в зависимости от начальной температуры кластера и времени отжига. Итак , мы считаем , что образован ие фуллеренов происходит в следующем порядке : сначала образ уются жидкие углер одные кластеры , затем эти кластеры кри сталлизуются в фуллерены с испусканием а томов и микрокластеров . Используем этот сценарий для об ъяс нения ряда экспериментальных фактов . 1. Исследования ЯМР фуллеренов С 60 , обогащенных изотопом 13 С, показывают, что атомы 13 С, бывшие соседями в аморфном углероде, не являются ими в фуллеренах. Этот факт означает либо отсутствие С 2 , С 3 и дру гих микрокластеров среди продуктов испаре ния аморфного уг лерода, либо, в соответствии с обсуж даемой моделью кристаллизации жидк ого кластера в фуллерен, перемешивание атомов в жидком класт ере до его кристаллизации. 2. В ряде экспериментов для углеродных кластер ов, содержащих 30-40 атомов, наблюдается "мертвая об ласть" в масс-спектре с оч ень малым количеством кластеров. Было предположено, что клас теры из "мертвой области" распадаются с испусканием кластеров, сод ержащих более 10 атомов. Мы предлагаем другое обмеление "мертв ой обла сти". Фуллерены, содержащие 30-40 атомов, имеют меньшую энергию связи, приходящуюся на один атом, чем фуллерены большего раз мера. Поэтому кла стеры, содержащие 30-40 атомов, имеют меньшую темпера туру кристаллизации, позднее кристаллизуются в фуллерены п ри остывании плазмы и, следовательно, у них есть больше времени для роста в большие кластеры, что приводит к существенному уменьшению количества кластеров, соответствующих "мертвой области" масс-спектра. Такое объясне ние подтверждается расчетами кинетики возникновения углеродных класт еров. Не исключена также возможность, что "мертвая область" во зникает в результате роста фуллеренов после их образования. 3. Бы ли предложены особые пут и сборки металло - фуллеренов с атомом металла внутри . Мы предлагаем простое объяснение : атом оказы вается внутри фуллерена в процессе кристаллизации жидкого кластера . Было обнаружено , что а томы инертных г азов могут попадать внутрь фуллеренов после образования послед них . Механизм " открывания окна " был предложен для объяснения этого эксперимента : связи между атомами фуллерена пере страиваются на короткое время , образуя вместо шестичленного кольца кольцо большего р азмера , через которое атом инертного газа проникает внутрь .
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Как известно, люди делятся по системам репрезентации: визуалы, те кто воспринимает мир через зрение, аудиалы, те кто воспринимают через слух, назалы, те кто воспринимают через запахи, и кинестетики, которые воспринимают информацию через прикосновение. Так вот, как показал опыт, в России большинство населения кинестетики.
- А почему?
-Да потому что, пока в рыло не дашь, ну ни хера не понимают!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по химии "Фуллерены", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru