«Фуллерены углеродные нанотрубки графен»

Вид материала

Содержание

1.8Токсичность фуллеренов
Глава 2.Углеродные нанотрубки 2.1Открытие нанотрубок
2.2Строение нанотрубок
2.2.1Однослойные нанотрубки
Рисунок 8. Однослойная нанотрубка
2.2.2Многослойные нанотрубки
Рисунок 9. Типы многослойных нанотрубок

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1.7Шунгит

В 1992 году природные аналоги фуллеренов были обнаружены российскими учеными в Карелии. Здесь вблизи Онежского озера залегают уникальные минеральные породы, именуемые шунгитами, возраст которых составляет около двух миллиардов лет. Шунгиты содержат до 90% чистого углерода, в том числе примерно одну сотую долю процента в виде фуллерена. Возможно, происхождение этого минерала объясняется падением большого углеродного метеорита.

Важно не только наличие в шунгите фуллеренов, но и "начинка" фуллереновых молекул, определяющая их биологические свойства. Ведь в его состав входит фантастически разнообразная смесь сложных органических веществ, составляющей 97-99 % водорастворимой органики шунгита, которая выходит в раствор вместе с фуллеренами и определяет их свойства.

Сейчас серьезным изучением минерала занимаются ученые в МГУ, в НИИ новых медицинских технологий Тульского государственного университета, в Институте Иммунологии, Институте Терапии АМН Украины, Институте биохимической физики имени Семенова и в других научных центрах мирового уровня. В Республике Карелия, на родине шунгита, изучением целебных свойств минерала и его практическим использованием в целях оздоровления, занимается Научно-производственного предприятия «Карелия-Шунгит» под руководством Крутоуса Виталия Александровича.

В 1999 году харьковские ученые исследовали образцы шунгита, переданные им специалистами Карельского научного центра. Они подтвердили наличие фуллеренов в этих породах, затем не только воспроизвели марциальную воду (воду с содержанием фуллеренов) в своей лаборатории, но и разработали метод получения водных растворов чистых фуллеренов — FWS.

1.8Токсичность фуллеренов

Одно время в мире широко пропагандировалась токсичность фуллеренов. Главным ее обоснованием служила статья В.Колвина c сотрудниками из университета Райса и E. Обердостера из университета Далласа. По их наблюдениям, у рыб, которые плавали в воде с добавками фуллеренов, происходили отрицательные изменения в мозге, а клетки человеческой кожи человека при контакте с раствором и вовсе погибали. В качестве «токсичного» фуллерена в этих работах применялись водные дисперсии nano-C60 (nC60, THF/nC60), приготовленные по одной и той же методике, в которой, в качестве промежуточного растворителя, использовался достаточно токсичный тетрагидрофуран (ТГФ, THF).

Харьковские ученые же более десяти лет работали с водными растворами фуллеренов и не замечали их вредного влияния, в том числе на кожу. Они предположили на 8-й Международной конференции «Фуллерены и атомные кластеры», которая состоялась в 2007 году в Санкт-Петербурге., а затем их вывод был подтвержден самими американцами, что ошибка последних заключалась в методе приготовления водного раствора фуллеренов. Американцы использовали тетрагидрофуран (ТГФ). Стандартные манипуляции с подобной дисперсией, с целью избавиться от ТГФ, не приводят к желаемому результату, а газо-хроматографический анализ всегда обнаруживает ТГФ и продукты его деградации, которые являются неотъемлемыми и превалирующими компонентами частиц nano-C60. И, именно, ТГФ и продукты его окислительной модификации и последующей их полимеризации обуславливают отрицательные биологические эффекты частиц nano-C60.

Попадая в живой организм, раствор гидратированного фуллерена заставляет избыточные свободные радикалы, в частности агрессивные формы кислорода и продукты окисления биомолекул, самоуничтожаться. При этом он не затрагивает того минимума свободных радикалов, который жизненно важен для нормального функционирования наших биологических систем. Другими словами, он только регулирует их количество и тем самым дает организму возможность мобилизовать собственные защитные функции для противостояния различным болезням.

В качестве примера можно привести работы, проведенные в лабораториях НИИ экспериментальной диагностики и терапии Российского научного онкологического центра, которыми руководит профессор Буренин. У лабораторных животных на 30—70% замедлялся рост опухолей, продлевалась жизнь.

Таким образом, молекула фуллерена не токсична и не может быть более токсична, чем уголь, графит, алмаз или обычный песок. Токсичными могут быть как химические производные фуллеренов (что определяется свойствами химических групп, пришитых к фуллереновому кору) так и наночастицы в виде кристаллосольватов (или клатратов) молекул фуллеренов с другими, но токсичными молекулами.

Глава 2.Углеродные нанотрубки

2.1Открытие нанотрубок

Нельзя назвать точную дату открытия нанотрубок. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок японским ученым Иджимой в 1991 г., существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских ученых Радушкевича и Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

2.2Строение нанотрубок

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики. (Хиральность — свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве.)

Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Другой способ обозначения хиральности состоит в указании угла а между направлением сворачивания нанотрубки и направлением, в котором соседние шестиугольники имеют общую сторону. Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются направления, для которых совмещение шестиугольника (m,n) с началом координат не требует искажения в его структуре. Этим направлениям соответствуют угол а=0 и а=30°.

По значению параметров (n, m) различают:

прямые (ахиральные) нанотрубки;
- «кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m;
- зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0;
спиральные (хиральные) нанотрубки.

Рисунок 7. Типы нанотрубок

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Диаметр трубок 1-3 нм, длина достигает десятков нм. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.

Большая часть нанотрубок обладает металлической проводимостью, а меньшая проявляет свойства полупроводника с шириной запрещённой зоны от 0,1 до 0,3 эВ. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Трубка оказывается металлической, если (n-m), деленное на 3, дает целое число.

Как показали наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, нанотрубки состоят из одного либо из нескольких графитовых слоев, вложенных один в другой или навитых на общую ось.

2.2.1Однослойные нанотрубки

Рисунок 8. Однослойная нанотрубка

На рис. ? представлена идеализированная модель однослойной нанотрубки. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду с правильными шестиугольниками также по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их диаметр.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Среди однослойных нанотрубок особый интерес представляют нанотрубки с хиральностью (10, 10) (конфигурация «кресло»). Проведённые расчёты показали, что нанотрубки с подобной структурой должны обладать металлическим типом проводимости, а также иметь повышенную стабильность и устойчивость по сравнению с трубками других хиральностей. Справедливость этих утверждений была экспериментально подтверждена в 1996 году.

2.2.2Многослойные нанотрубки

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций как в продольном, так и в поперечном направлении. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на рис. 9. Структура типа "русской матрешки" представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных нанотрубок (рис 9 а). Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 9 б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур (рис. 9 в), напоминает свиток . Для всех приведённых структур расстояния между соседними графитовыми слоями близко к величине 0,34 нм, т.е. расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита. Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.

Рисунок 9. Типы многослойных нанотрубок

Идеализированная поперечная структура нанотрубок, в которой расстояние между соседними слоями близко к значению 0,34 нм и не зависит от аксиальной координаты, на практике искажается вследствие возмущающего воздействия соседних нанотрубок. Наличие дефектов приводит также к искажению прямолинейной формы нанотрубки и придаёт ей форму гармошки.

Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности многослойных нанотрубок, связан с внедрением в поверхность, состоящую преимущественно из правильных шестиугольников, некоторого количества пятиугольников или семиугольников. Это приводит к нарушению цилиндрической формы, причём внедрение пятиугольника вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение семиугольника способствует появлению вогнутого изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок.

Blog