3.1. Фулерени

Вперше великі вуглецеві кластери були виявлені в 1985р (Г.Крото, Р.Смоллі, Р.Керл) і названі фулеренами.. Ця назва була запропонована на основі аналогії між структурою кластера і виглядом архітектурної споруди, що складалася з п’ятикутників і шестикутників. Автором цієї конструкції був американський архітектор Бакмінстер Фулер. Звідси і було названо кластер С₆₀ фулереном.

Рис. 3.1. Структура фулерена.

Таким чином, крім графіта, алмаза і карбіна була відкрита ще одна форма існування вуглецю – фулерен. Молекули С₆₀ володіють низкою характерних для них властивостей, які роблять їх унікальними речовинами. Заслуговує уваги навіть те, що на відміну від традиційних модифікацій вуглецю фулерени розчиняються в органічних розчинниках.

С₆₀ і С₇₀ існують фулеренові молекули С₈₀ і С₈₄.

Фулеренами заміщення називають такі фулерени, в яких атом вуглецю заміщений іншим елементом. Першим фулереном заміщення був С₅₉В, а пізніше були синтезовані фулерени С₅₉N і (С₅₉N)₂. Цікаві властивості проявляють такі фулерени заміщення, в яких замісь атомів вуглецю розміщені атоми перехідних металів. Мас-спектрометричні дослідження Со₆₀Fe_x вказують, що існує серія піків, які відповіають одному кластеру С₆₀, покритому х-атомами заліза, а також кластерам Fe_n і фулерену С₆₀, які з’являються після фрагментації вихідних кластерів С₆₀, покритих атомами заліза. Характер фрагментації різко змінюється при збільшенні інтенсивності лазера, який і спричиняє таку фрагментацію. Більшість легованих залазом фулеренів містить парну кількість атомів.

Досліджувались спектри фрагментації кластерів С₆₀М_х і С₇₀М_х, де М=Rh, Ir. Встановлено, що крім впливу інтенсивності лазерного випромінювання на характер заміщення важливе значення має активність взаємодії метала з вуглецем.

14,2Практичне застосування нанотрубок.

Унікальні властивості нанотрубок дозволяли використовувати їх як основні нанопристрої у електронних системах, серед яких перш за все слід відзначити діоди, польові транзистори, холодні діоди і дисплеї. Розглянемо спочатку як створити на основі нанотрубки такий як створити на основі нанотрубки такий найпростіший елемент електроніки і електротехніки як діод. Якщо у нанотрубці замінити шестикутник на п’ятикутник чи семикутник, то нанотрубка зігнеться. У такому випадку заміниться орієнтація шестичленних кілець відносно осі нанотрубки, тобто зміниться положення рівня Фермі, ширина забороненої зони і провідність. Схема такої процедури зображена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Зміна потенціального бар’єру після

трансформації структури нанотрубки.

Нанотрубки використовують також для створення нових типів електронних дисплеїв, люмінісцентних джерел світла, джерел рентгенівського випромінювання. Цікавим є застосування нанотрубок для створення рентгенівського випромінювання. Застосовують нанотрубки: в пристроях для вимірювання швидкості рідини, яка їх змочує. Таке застосування грунтується на капілярному ефекті, який, як відзначалося раніше, має у нанотрубках певні свої особливості. Японські інженери також сконструювали з нанотрубки термометр, На сьогодні запропоновано різні варіанти застосування ВНТ у газових датчиках, які широко застосовуються в різних галузях техніки і нарордного господарства.

Рис. 5.9. Адсорбційний газовий датчик на основі нанотрубок.

Нанотрубки недавно почали використовувати також в зондових мікроскопах у ролі зондів..

На основі нанотрубок можна створити і нановібратор.

15,1 Індивідуальні кластери часто об’єднуються у структурні одиниці більшого розміру (наноструктури), які залежно від типу об’єднання володіють різними властивостями. Найпростішим випадком кластерних систем є кластери, що знаходяться в рідкій або твердій матриці. Часто такі кластерні системи при певних умовах їх формування стають нанокомпозитними системами.

Найпростішим випадком кластерних систем є деякі рідини і аморфні тверді тіла, в яких кластери є динамічними структурними одиницями (рідини) і володіють різними розмірами залежно від термодинамічних параметрів. Зв’язок між кластерами є слабкий і тому вони можуть розглядатися як в деякій мірі незалежні структурні одиниці. Однак, у таких наноструктурних системах кластери не володіють чітко вираженою поверхнею, що не дозволяє розглядати їх як окремі фази. На відміну від кристалічних тіл, де атоми розміщені строго періодично і невпорядкованих речовин, в яких закономірність в атомному розподілі спостерігається лише на малих відстанях, існують іншого типу структури, в яких періодичність проявляється іншим чином. Одинаковий закон побудови структури з основних елементів повторюється на різних рівнях. Наприклад, певним чином можна розмістити атоми довкола довільного атома, вибраного за центральний. Пізніше за елемент структури беремо групу з даних атомів (молекулу) і згідно такого самого закону розміщуємо відносно неї інші аналогічні групи. Цей процес ми можемо продовжувати і в результаті отримаємо структуру великих розмірів, яка і називається фрактальною структурою. Поняття “фрактал” було введено вперше в геометрію Мандельбротом і дотопер не має строгого визначення. В перекладі з латинської мови воно означає, що об’єкт дослідження складається з фрагментів. Математичне дослідження таких об’єктів проводилось відомими математиками на протязі тривалого часу. Фізики стали використовувати це поняття пізніше, коли наступив етап інтенсивного вивчення невпорядкованих систем. На рис. 4.1 показано один з варіантів побудови фрактальних структур на площині

Рис. 4.1. Фрактальні структури

Необхідність застосування фрактальної гнометрії у фізиці була зумовлена неспроможністю описати дисипативні структури, які виникають в умовах, далеких від рівноважних. Це стосується швидкоохолоджених рідин, колоїдних сумішей та інших фізичних систем. Характерною особливістю фрактальних структур є те, що їх густина зменшується, коли розмір зростає.

Потрібно мати на увазі, що інша важлива характеристика фрактальних структур – самосхожість проявляється лише на обмеженій ділянці маштабів.

Фрактали поділяють на детерміновані і недетерміновані. До перших належать геометричні і алгебраїчні фрактали, а до других – стохастичні і випадкові.

Фрактальна структура може володіти різними розмірами. Наприклад, з атомів можна сформувати фрактальний кластер, який матиме певний розмір. Самі кластери можуть об’єднуватись у більші структурні одиниці також згідно геометрії фракталів. Наприклад, фулерени можуть утворювати фрактальні структури, або кристалічні з дальним порядком.

Кількісною характеристикою фрактальної структури є фрактальна розмірність. Ця фізична величина вказує на ступінь недосконалості системи. Математично визначення фрактальної розмірності виглядає так:

,

15,2

Аналогічно до ендоедральних фулеренів, нанотрубки також можуть утворювати структури, в яких порожнина циліндра заповнена іншими атомами, молекулами чи навіть частинками більших розмірів. Зрозуміло, що перед тим, як нанотрубки можуть розмістити у собі такі атоми чи частинки, вони повинні бути розкритими хочо б з одного кінця.

Максимальним заповнення нанотрубок буде тоді, коли по всій їх довжині знаходитиметься інша речовина, яка нагадуватиме наностержень чи нанодріт. Таке заповнення є ідеальним, а в більшості випадків всередині нанотрубки утворюються короткі відрізки. Основною причиною, яка гальмує ідеальне заповнення нанотрубок є наявність внутрішніх перегородок, які перетинають вісь нанотрубки під кутом близьким до 90.Додаткова оюбробка рідким оксидантом дещо зменшує кількість таких перегородок, але повністю не видаляє їх.