Fulereny i nanorurki

Zobacz slidy

Treść prezentacji

Slide 1

Fulereny i nanorurki Tomasz Prus Bartłomiej Olejak Marek Paściak

Slide 2

Co to są fulereny? Jedna z alotropowych odmian węgla

Slide 3

Diament Struktura kubiczna przestrzennie centrowana Każdy atom otoczony tetraedrycznie Wiązania o charakterze kowalencyjnym hybrydyzacja sp2

Slide 4

Grafit Układ heksagonalny W płaszczyźnie hybrydyzacja sp2 Odległość pomiędzy płaszczyznami ok.0.3nm Oddziaływanie pomiędzy płaszczyznami słabe

Slide 5

Fuleren C60 i pochodne Kryształ cząsteczkowy Strukturę tworzą cząsteczki węgla o liczbie atomów począwszy od 60-ciu Jedyna czysta odmiana alotropowa węgla

Slide 7

Geometria fulerenu C60 ścięty dwudziestościan 12 pierścieni pentagonalnych 20 pierścieni heksagonalnych 30 wiązań podwójnych średnica cząsteczki 0.71nm długości wiązań 0.1404 nm i 0.1448 nm

Slide 8

Kryształ fulerenu - fuleryt Struktura krystaliczna T260K - sc T260K - fcc Stała sieci 0.142nm Przerwa energ. 1.5eV Energia jonizacji 7.6eV Izolator

Slide 9

Nanoskala

Slide 10

Nanorurki Jednościenne bądź wielościenne rurki węglowe o średnicy nawet poniżej 1nm Przypominają pojedyncze warstwy grafitu (lub kilka warstw umieszczonych jedna na drugiej) zwinięte w pozbawione denek walce

Slide 12

Historia odkrycia fulerenów Zainteresowanie Kroto rolą węgla we wszechświecie Symulacja atmosfery gwiazd węglowych wspólpraca z Curlem i Smalleyem Otrzymanie widma spektrometrii mas klasterów węglowych Propozycja struktury cząsteczki Potwierdzenia teoretyczne i doświadczalne Nagroda Nobla 1996

Slide 13

Odkrycie nanorurek Sumoi Iijima w 1991r. donosi w Nature o odkryciu rurek węglowych podczas badań nad elektrołukową syntezą fulerenów

Slide 14

Metody otrzymywania oraz mechanizm powstawania nanorurek i fulerenów. Tomasz Prus

Slide 15

Otrzymywanie i powstawanie nanorurek i fulerenów: Metody otrzymywania Charakterystyka powstawania Ceny

Slide 16

Otrzymywanie fulerenów: Aktywacja laserem Metoda elektrołukowa Plazma węglowa Metoda płomieniowa Piec słoneczny Inne Piroliza węglowodorów

Slide 17

Aktywacja laserem

Slide 18

Schemat otrzymywania fulerenów: Sublimacja substancji węglowej Kondensacja gazu węglowego Ekstrakcja

Slide 19

Metoda grzania oporowego Kratschmer-Huffman He 13,3kPa

Slide 20

Metoda elektrołukowa -zasilanie prądem zmiennym -45 fulerenów w tym 85 C60 -odległość między elektrodami 1mm Optymalne warunki (wg Wydziału Chemi UW) Gaz buforowy Hel 13,3 kPa średnica elektrod 6mm

Slide 21

Wady i zalety metody elektrołukowej prostota wydajność - wysoka energochłonność - brak ciągłości w procesie

Slide 22

Metoda płomieniowa Niskie ciśnienie (10kPa) Stosunek CO 0.989 Rozcieńczenie reagentów helem Proces typowego spalania w specyficznych warunkach Odkrycie Howarda Podczas spalania acetylenu lub benzenu w tlenie, w sadzy znaleziono fulereny. Sadza z zawartością fulerenów (20)

Slide 23

Inne metody otrzymywania Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów

Slide 24

Plazma węglowa (z wyłączeniem łuku) - odparowywanie próbek różnych węgli w plaźmie indukcyjnej (30kW, 400Hz) w helu po ciśnieniem 15 hPa, temperatura 2800K - plazma węglowa z par naftalenu pod ciśnieniem atomosferycznym w atmosferze azotowej w temperaturze 4500K

Slide 25

Piec słoneczny Gęstość energii: 2000 Wcm2 Argon 500 Torr

Slide 26

Piroliza węglowodorów Węglowodory zawierające pierścienie pentai heksagonalne Naftalen i koranulen Wysoka temperatura 1000ºC Różne produkty, w tym fulereny 1 w sadzy

Slide 27

Otrzymywanie nanorurek Metoda elektrołukowa Metoda katalityczna Wysokotemp. elektroliza Piroliza termiczna Inne Piec słoneczny Plazma węglowa

Slide 28

Metoda elektrołukowa Sumio Iijima Argon 13,3kPa

Slide 29

Struktura depozytu katodowego

Slide 30

Schemat fraktalnej mofrologii depozytu katodowego

Slide 31

Modyfikacje metody elektrołukowej o 500 Torr Hel 100A o 20 Torr Metan 30A 25 anody przemienia się w nanorurki więcej nanorurek w depozycie o 100 Torr Wodór 90A wysoka jakość nanorurek Ale dlaczego powstają tylko nanorurki wieloscienne ?

Slide 32

Metoda elektrołukowa nanorurki jednościenne Elektroda grafitowa z pewnymi metalami. Metoda elektrołukowa Nanorurki jednościenne. Odkrycie Iijim i Ichidashi

Slide 33

Nanorurki jednościenne Ciśnienie Natężenie Katali Średnica Gaz -zator nanorurek [nm] [Torr] [A] Fe Ar 10-40 200 0,7 1,6 Co He 100-500 95-105 1,2 Pt He 600 70 1,3 1,7 Y, B He 660 100 2,5

Slide 34

Napełnianie nanorurek Atmosfera z zawartością niektórych metali Nanodruty Hel z dodatkiem Fe(CO)5 Nanoruka wypełniona żelazem

Slide 35

Metoda katalityczna Czyli katalityczny rozkład węglowodorów... Gazy zawierające węgiel Gorąca powierzchnia metalu Np. katalityczny rozkład acetylenu w temperaturze 970K pod ciśnieniem atmosferycznym. Katalizator: Fe, Ni, Cu lub Co WADY: Czas reakcji 5h, zanieczyszczenia wewnątrz nanorurek

Slide 36

Użycie lasera Prof. Smalley

Slide 37

Inne metody Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza termiczna Wysokotemperaturowa elektroliza soli

Slide 38

Wysokotemperaturowa elektroliza soli

Slide 39

Mechanizmy powstawania fulerenów Wiele różnych metod wytwarzania Wiele koncepcji powstawania

Slide 40

Mechanizm powstawania I Ścieżka pentagonalna Smalley

Slide 41

Mechanizm powstawania II Ścieżka fulerenowa Heath

Slide 42

Mechanizm powstawania III Przyleganie pierścieni Wakabayashi Achiba

Slide 43

Mechanizmy powstawania nanorurek Wiele różnych domysłów i hipotez Stosowanie kwantowej dynamiki molekularnej QMD Dlaczego czasem się nie zamykają ? Wielościenne jednościenne...

Slide 44

Powstawanie nanorurek w łuku węglowym Transformacja nanopłaszczyzn

Slide 45

Powstawanie nanorurek w łuku węglowym

Slide 46

Powstawanie nanorurek w procesie katalitycznym

Slide 47

Ceny.... 7960 South Kolb Road, Tucson, Arizona 85706 www.mercorp.com Nanorurki jednościenne (0.7-1.2 nm 2-20 µm 40 zawartości) 80 Fulereny C60 45 190 Fulereny C70 300 850

Slide 48

Funkcjonalizacja fulerenów Chemia egzohedralna reakcje przyłączania na zewnątrz cząsteczek fulerenów Chemia endohedralna reakcje zaklatkowania obcego atomu w cząsteczce fulerenu Heterofulereny reakcje częsciowej substytucji atomu węgla w fulerenach przez atomy innych pierwiastków

Slide 49

Fulereny egzohedralne C60(OSO4)(4-tert-butylopirydyna)2

Slide 50

Fulereny egzohedralne c.d C60H36 C60O2

Slide 51

Ciekawsze fulereny egzohedralne reakcje utleniania reakcje redukcji fulerole fulereny z grupami hydroksylowymi Fluorowcopochodne C60Xn gdzie Xfluor, brom, chloru metalofulereny związki z grupy platynowców mają właściwości katalityczne Procesy cykloaddycji

Slide 52

Procesy cykloaddycji Otrzymywanie makrocząsteczkowego fulerenodendrytu w wyniku reakcji cykloaddycji

Slide 53

Fluorowcopochodne C60Cl6 C70Cl10

Slide 54

Możliwości funkcjonalizacji chemicznej cząsteczki C60

Slide 55

Fulereny endohedralne

Slide 56

Ciekawsze fulereny endohedralne MC60 - Mmetal, fulereny nabywają własności przewodzące M3C60 - M atom metalu alkalicznego, są wysokotemperaturowymi nadprzewodnikami

Slide 57

Metody otrzymywania fulerenów endohedralnych Sublimacja laserowa lub elektrołukowa grafitu impregnowanego obcym pierwiastkiem Mechanizm otwarcia okiennego Wysokoenergetyczne kolizje bimolekularne

Slide 58

mechanizm otwarcia okiennego

Slide 59

Izomery CaC82

Slide 60

Heterofulereny Hipotetyczna stuktura B30N30 oraz C12B24N24

Slide 61

Podobieństwo struktury azotku boru i grafitu

Slide 62

Widmo sadzy fulerenowej

Slide 63

C60 i C70 C60

Slide 64

Izomery C84

Slide 65

C540

Slide 66

Fulereny giganty C620 C636

Slide 67

Nanocebulki węglowe C960C1500C2160C2940

Slide 68

Nanorurki

Slide 69

Różne konfiguracje nanorurek Konfiguracja fotelowa: Konfiguracja zygzakowa: Konfiguracja chiralna:

Slide 70

Nanorurki węglowe jako pochodne fulerenów

Slide 71

Właściwości nanorurek węglowych

Slide 72

Perspektywiczne zastosowania fulerenów i nanorurek Marek Paściak

Slide 73

Obszary perspektywicznych zastosowań fulerenów WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE - materiały smarujące - włókna wysokowytrzymałe - membrany molekularne - cienkie warstwy,diamenty - materiały ścierne - kontenery cząsteczkowe - katalizatory reagenty organiczne fotosensybilizatory preparaty farmaceutyczne - baterie wysokoenergetyczne WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE I OPTYCZNE - czujniki akustyczne - półprzewodniki - nieliniowe urządzenia optyczne - nadprzewodniki - przetworniki elektrooptyczne

Slide 74

Nadprzewodniki Jonowe związki M3C60 - fulerydy Potas - 18K Rubid - 30K Cez - 33K RbxCsy - 45K M3C60

Slide 75

Fotooptyka i fotoprzewodnictwo Cienkie warstwy na krzemie Ograniczniki optyczne Płyty do kopiarek i drukarek laserowych

Slide 76

Zastosowania w medycynie Wchłanianie i neutralizacja wolnych rodników Blokowanie centrów aktywnych enzymów HIV - metanofulereny destrukcyjne działanie na komórki rakowe rozpuszczalna w wodzie liposomowa pochodna C60 kapsułki nanometryczne

Slide 77

Zastosowania w medycynie (2) Czynniki kontrastujące w rezonansie magnetycznym Radionuklidy - nośniki promienitwórcze przydatne w diagnostyce (TcC60)

Slide 78

Inne zastosowania Stabilizatory paliw samolotowych Materiały kompozytowe aluminium, polietylen Produkcja diamentów Katalizatory Jonowe silniki rakietowe

Slide 79

Zastosowania nanorurek Już jako produkt komercyjny: koniec ostrza pomiarowego mikroskopu sił elektronowych części samochodów GM

Slide 80

Źródła światła i wyświetlacze Zjawisko emisji polowej Gęstość prądu rzędu 1Acm2

Slide 81

Nanorurki w elektronice Przewodnik lub półprzewodnik Średnica - przerwa energetyczna Rurki wielowarstwowe - kable koncentryczne ? Brak kontroli nad wzrostem

Slide 82

Tranzystor polowy Praca w temperaturze pokojowej Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych Mniej zużywanej energii

Slide 83

Tranzystor jednoelektronowy Nie pierwszy SET Odległość między wygięciami - 20nm Działa w temperaturach pokojowych

Slide 84

Kompozyty węglowe Energia wiązania atomów węgla 6,7eVatom Lokalność uszkodzeń W sferze dalekich planów z racji ceny nanorurek

Slide 85

Nanowaga

Slide 86

Inne Pamięć mechaniczna Nanomanipulatory Pojemniki na wodór i jony Superczułe sensory

Slide 87

Uff, to już koniec...

Slide 88

Literatura A.Huczko, Fulereny PWN,2000 www.nobel.sechemistrylaureates1996illpres sbchem.sunysb.edumslfullerene - A Fullerene Structure Library researchweb.watson.ibm.comnanoscience