книги / Формы существования углерода. Их получение и применение

что означает «Gd в Сбо внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)». Возможность получения сверхпроводящих кристаллов, кап­ сулированных в нанотрубки, позволяет изолировать их от вредного воз­ действия внешней среды, например от окисления, открывая тем самым путь к более эффективному развитию соответствующих нанотехнологий.

В нанотрубки можно не только поодиночке «загонять» атомы и моле­ кулы, но и буквально «вливать» вещество. Как показали эксперименты, от­ крытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, т.е. она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использо­ вать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или био­ логически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топли­ ва и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу, так как концы нанотрубок надежно «запаяны», а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для боль­ шинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безо­ пасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскры­ ваются с одного конца (операции «запаивания» и «распаивания» концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это не фантастика, экспе­ рименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет такая технология будет применяться при лечении заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приго­ товленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и «вскрываются» в определенный момент времени. Совре­ менная технология уже практически готова к реализации такой схемы.

Высокая удельная поверхность нанотрубок (в случае однослойной нанотрубки около 600 м на 1 г) открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах и т.д. Возможно использование нанотрубок с высокой удельной поверхностью и в качестве электродов для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью.

Углеродные нанотрубки хорошо себя зарекомендовали как покрытия, способствующие образованию алмазной пленки. Как показывают фото­ графии, выполненные с помощью электронного микроскопа, алмазная пленка, напыленная на пленку нанотрубок, по плотности и однородности зародышей превосходит пленки, напыленные на Cgo и С70.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время наиболее изучены модификации углерода: алмаз, графит, карбин и многоатомные молекулы углерода (фуллерен).

Графит имеет слоистое строение. Слоистость структуры определяет ярко выраженную анизотропию свойств: электропроводность и теплопро­ водность вдоль направления слоев в несколько раз выше, чем перпендику­ лярно им, а коэффициент теплового расширения перпендикулярно слоям примерно в 20 раз больше, чем параллельно им. Способность графита включать в себя ионы (атомы, молекулы) разнообразных веществ позволя­ ет в некоторых случаях существенно усилить его полезные свойства. Интеркаляция, как правило, приводит к существенному увеличению электро­ проводности. Это показывает перспективность использования интеркалатов графита в качестве электропроводников, особенно если учесть, что сейчас хорошо развито производство изготовления углеродных волокон и ведутся работы по получению волоконных интеркалатов. Основной недос­ таток этих материалов - неустойчивость их работы во времени. Чрезвы­ чайно высокая температура сублимации, отсутствие стадии плавления, значительное увеличение прочности при нагревании, высокая термопроч­ ность при достаточно низкой плотности и хорошей обрабатываемости на обычных металлорежущих станках делают искусственные конструкцион­ ные графиты наиболее распространенными высокотемпературными мате­ риалами, подчас не имеющими конкурентов. Указанные физические свой­ ства вместе с химической стойкостью графита позволяют использовать его в различных областях человеческой деятельности.

Уникальными графитовыми материалами являются гибкий графит, пироуглерод, стеклоуглерод, углеродные ткани. Стеклоуглерод является материалом, который сочетает в себе одновременно свойства стекла и уг­ леграфитового материала. Наряду с низкой плотностью стеклоуглерод зна­ чительно прочнее промышленных марок графита. Кроме того, он обладает практически полной газонепроницаемостью, термической стойкостью, в том числе циклической.

Алмаз обладает кубической гранецентрированной решеткой с рас­ стоянием между атомами 0,154 нм. Характер связи в алмазе обусловливает изотропность его свойств и чрезвычайно большую теплопроводность. Теп­ лопроводность алмаза при температуре 20-1200 К выше теплопроводности меди. Алмаз не только сильно преломляет и отражает световые лучи, но и обладает весьма важным оптическим свойством - различать показатели преломления лучей разного цвета на гранях алмаза. По этой причине один и тот же камень кажется окрашенным в различные цвета. Алмаз обладает наивысшей твердостью (10 баллов по шкале Мооса). Важными свойства­ ми, определяющими применение алмаза, являются люминесценция, сцин­

тилляция и полупроводниковые свойства. Существуют природные и ис­ кусственные алмазы. В природе алмазы обнаруживаются в трубкообраз­ ных отложениях кимберлитовых пород либо в гальке по берегам рек. Син­ тетические алмазы получают различными методами. В промышленности наиболее распространен каталитический метод. Алмаз используется в ка­ честве ювелирных украшений, в металлорежущих инструментах, в полу­ проводниковых и некоторых оптических приборах, а также в счётчиках ядерного излучения. Для синтеза более высококачественных алмазов, ко­ торые являются составной частью режущего алмазного инструмента, раз­ рабатываются новые специальные углеродные материалы. Для удешевле­ ния стоимости алмазов осваиваются более дешёвые методы их получения. Ведётся разведка и эксплуатация месторождений наиболее высокосортных камней. Использование алмазов в полупроводниковых и некоторых опти­ ческих приборах, а также в счетчиках ядерного излучения весьма перспек­ тивно, поскольку такие приборы способны работать в самых различных условиях, включая области низких и высоких температур, сильные элек­ тромагнитные и гравитационные поля, агрессивные среды и т.п.

Открытие карбина позволяет разрабатывать способы получения но­ вых, значительно обуглероженных продуктов с ценными физико­ химическими свойствами, например полимерных светочувствительных ма­ териалов, сверхпрочных волокон, термостойких материалов, стабильных резисторов, полупроводниковых материалов.

Перспективным направлением исследований углерода является синтез гибридных веществ, сочетающих отдельные свойства алмаза, графита и карбина.

Фуллерены представляют собой кластерные сфероподобные образо­ вания, сложенные из шести- и пятиугольных колец атомов углерода. В конденсированном виде фуллерены образуют молекулярные кристаллы - фуллериты, а фуллериты, интеркалированные щелочными металлами, на­ зываются фуллеридами. Молекулы фуллерена это сильные окислители, способные образовывать множество химических соединений с новыми не­ обычными свойствами. Химические соединения фуллеренов можно рассматривать как трехмерный аналог ароматических соединений. Если же в качестве носителя информации использовать фуллереновые магнитные диполи, расположенные на поверхности жесткого диска на расстоянии 5 нм друг от друга, то плотность записи достигнет фантастического значения - 4-10 бит/см . Реализация подобных устройств откроет перед чело­ вечеством невиданные информационные возможности. Фуллериды, охла­ жденные до температур 19-33 К, становятся сверхпроводящими. Кристал­ лы фуллеренов представляют собой полупроводники с шириной запре­ щенной зоны 1-2 эВ, обладающие фотопроводимостью при облучении ви­ димым светом. Это позволяет рассчитывать на создание на базе Сбо нели­

нейных оптических элементов для оптических цифровых процессоров и для защиты оптических сенсорных датчиков от интенсивного облучения. Наиболее эффективный способ получения фуллерена основан на термиче­ ском разложении графита. В настоящее время фуллерены используются как основа для производства аккумуляторных батарей, красителей для ко­ пировальных аппаратов, фотоприемников, износостойких алмазных и ал­ мазоподобных пленок, сверхпроводников. Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Обсуж­ дается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактив­ ными изотопами. Применение фуллеренов сдерживается их высокой стои­ мостью, которая складывается из стоимости получения фуллереновой сме­ си и выделения из нее отдельных компонентов. Поэтому актуальной зада­ чей является разработка новых эффективных методов их получения.

Особую группу образуют так называемые фуллереновые трубки - тубулены. Образуются такие трубки при конденсации паров графита на пло­ ской графитовой подложке. Отмечены случаи, когда такие трубки форми­ руются одна внутри другой («матрешка»). Существуют также многослой­ ные образования, по форме близкие к сферической и напоминающие луко­ вицу. Диаметр трубок 10—30 А, длина достигает сотен ангстремов, есть все основания надеяться, что в скором будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в сантиметры и даже метры. Нанотрубки обладают большим разнообразием электрических и оптических свойств. Это обу­ словливает применение их, например, в качестве очень прочных микро­ скопических стержней и нитей. Нанотрубки могут служить основой тон­ чайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неод­ нородностей поверхности электронных схем. Малые размеры нанотрубки и такие ее свойства, меняющиеся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, как электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубку в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Благодаря высокой удель­ ной поверхности (в случае однослойной нанотрубки около 600 м на 1 г) нанотрубки используют в качестве пористого материала в фильтрах, воз­ можно использование в качестве электродов для электролитических кон­ денсаторов с большой удельной мощностью. Активные исследования твердых фуллеренов, нанотрубок ведутся только 10 лет, многое еще не ис­ следовано, поэтому трудно предсказать все возможности применения этих необычных материалов в практической деятельности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Алмаз: Справочник / Д.В. Федосеев, Н.В. Новиков, А.С. Виш­ невский, И.Г. Теремецкий - Киев.: Наукова думка. - 1981.- 77 с.

2.Формирование фаз на основе фуллерена в системе Fe-C и Fe-Qo / В.Н. Анциферов, В.Г. Гилев, Л.М. Греянов, А.Н. Дунюшкин // Перспек­ тивные материалы. - 1999. - № 6 - С. 5-8.

3.Анциферов В.Н. Взаимодействие фуллерена Сбо с порошковым же­ лезом / В.Н. Анциферов, В.Г. Гилев, В.И. Костиков // Перспективные ма­ териалы. - 1998. -№ 3. - С. 5-10.

4. Низкотемпературный твёрдофазный синтез металлофуллеритов / В.Н. Анциферов, В.Г. Гилев, С.А. Оглезнева, А.А. Шацов // Перспек­ тивные материалы. - 2000. - № 1. - С. 11-15.

5.Пат. № 2188249. Способ синтеза фуллереносодержащих фаз / В.Н. Анциферов, В.Г. Гилев, С.А. Оглезнева, А.А. Шацов (РФ). Приоритет от 29.05.2000 г. Опубл. 27.08.2002.

6.Пат. РФ № 2087576. Способ получения алмазосодержащего мате­ риала из фуллерена / В.Н. Анциферов, В.И. Костиков, С.А. Оглезнева (РФ). Приоритет от 5.06.1995. Опубл. 20.08,1997.

7.Белоус М.В. Распределение углерода по состояниям в отпущенной стали / М.В. Белоус, В.Б. Новожилов, Ю.В. Шейко // ФММ. - 1995. - Т. 79.

-J 6 4 .-C . 128.

8.Бланк Б. Тверже алмаза / Б. Бланк, С. Буга // Наука и жизнь. - 1995.

-№ 10. - С. 61-64.

9.Вагнер Е.А. Углеродный материал нового поколения в эндопроте­ зировании костей и суставов / Е.А. Вагнер, А.С. Денисов, В.Л. Скрябин - Пермь: Изд-во Перм. ун-та. - 1993. - 64 с.

10.Графитация и алмазообразование / В.И. Костиков, Н.Н. Шипков, Я.Л. Калашников и др. - М.: Металлургия, 1991. - 224 с.

11.Горелик С.С. Рентгенографический и электоронно-оптический анализ / С.С. Горелик, Л.Н. Растогуев, Ю.А. Скаков. - М.: Металлургия, 1970.-172 с.

12.Графит и его применение в производстве электрощеток / Г.П. Гу­ милёвская, В.С. Прозарович, А.Н. Власов, Н.Г. Головко // Графиты и их применение в промышленности: Сб. науч. тр. - М., 1974. - С. 72-73.

13.Драновский М.Г. Графит и его применение в промышленности электрощеток / М.Г. Драновский, Г.П. Гумилёвская // Графиты и их при­ менение в промышленности: Сб. науч. тр. - М., 1974. - С. 4-5.

14.Дядин Ю.А. Графит и его соединения включения // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т. 6. - № 10. - С. 43-49.

34.ПосуховаТ.В. Кимберлиты-природные сверхглубокие скважины// Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т. 6. - № 5. - С. 57-63.

35.Смит В.А. Необычайная история букминстерфуллерена / В.А. Смит, Ю.А. Устынюк // Химия и жизнь. - 1992. - № 1. - С. 8-17.

36.Соколов В. И. Проблема фуллеренов: Химический аспект // Изв. АН. Серия химическая. - 1993. - № 1. - С, 10-19.

37.Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. - М.: Металлургия, 1969. - 273 с.

38.Фиалков А.С. Применение стеклоуглерода в медицине / А.С. Фиалков, А.А. Юдин, В.Д. Чеканова // Графиты и их применение в промыш­

ленности: Сб. науч. тр. -М ., 1974. - С. 40-41.

39.Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. - М.: Энергия, 1976. -

320 с.

40.Фуллеренная модель структуры высокоуглеродистых сплавов на основе железа / И.Р. Кузеев, М.М. Закиричная, Г.Х. Самигуллин, Н.В. Мекалова // Металлы. - 1999. - № 1. - С. 74-79.

41.Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов // Сб. тр. междунар. конф. 5-7 окт. 1999 г. - Красноярск, 1999. - С. 77-87.

42.Высокопористый ячеистый углерод и его применение / А.Г. Щурик, В.Ю. Чунаев, Ф.И. Кислых, Г.И. Штраубе // Технология машино­ строения. -2001. -№ 5. - С. 76.

43. Balch A.I., Catalano V.J., Lee J.W. // Inorg. Chem. 1991. - V. 30. -

P.3980.

44.Birkett P.R. et al. // Nature. - 1992. - V. 357. - P. 479.

45.Blank V.D., Buga S.G., Serebryanaya N.R. et al // Phys. Lett. A. - 1995.-V . 205.-P . 208-216.

46. Fischer J.E., Heyney P.A., Smith А.В. // Acc. Chem. Res. - 1992.

V.25.-P . 112.

47.Haufler R.E. et al. // J. Phys. Chem. - 1990. - V. 94. - P. 8634.

48.Kroll G.H. et al. // Chem. Phys. Lett. - 1991. -V . 181. -P . 112.

49.Millican J. et al. // Chem. Mater. - 1991. - V. 3 - P. 368.

51.Selig H. et al. // Am. Chem. Soc. - 1991. - V. 113. - P. 5475.

52.Sivaraman N.et al. // 185 th Meeting Electrochem Soch. Am. 1994. San Francisko. Rep. -P . 1211.

53.Taylor B. et al. //Nature. - 1992. - V. 355. - P. 27.

54.Wudl F. // Acc. Chem. Res. 1992.-V . 25.-P . 157.

С.А. Оглезнева, Л.М. Гревнов, И.В. Жигалова, Н.А. Легостаева, А.Г. Щурик

ФОРМЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ УГЛЕРОДА.

ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

Учебное пособие

Лит. редактор Э.П. Полнякова Техн. редактор ГЯ. Шилоносова Корректор Е.В. Копытина

Лицензия ЛР № 020370

Подписано в печать 17.12.03. Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Уел. печ. л. 5,5. Уч.-изд. л. 5,2. Тираж 100. Заказ № 197.

Редакционно-издательский отдел Пермского государственного технического университета

Адрес: 614600. Пермь, Комсомольский пр., 29а Отпечатано в ООО «Урал Верст Мет - Реклама»