ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ – ЭЛЕМЕНТЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ БУДУЩЕГО

В наше время производятся много новых, различных материалов, основными из них являются те, которые имеют наномасштабную структуру (нанотехнология), и материалы, наполненные наноструктурными частицами. Этим материалом, характерна деформация, прочность и сопротивление различным воздействием, приводящих к трещинам, что обуславливает их перспективность для различных применений в промышленности. Среди распространенных наноматериалов выделяются углеродные наноматериалы, например, фуллерены.

Рисунок 1. Структура фуллерена C_n

Фуллеренами называются молекулы, состоящие из чистого углерода с  замкнутой поверхностью, имеющую форму сферы или сфероида, названы они в честь американского изобретателя и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего в 1954 г. премию на строительные конструкции в виде шестиугольников и пятиугольников, образующих полусферу. Будем называть фуллеренами изомерные молекулы  C_n.

Впервые о фуллерах стало известно в 1987 г. Это грандиозное событие сыграло большую роль в мировой науке. Фуллеры – еще одна аллотропная модификация  углерода, которая была открыта группой англо – американских ученых Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли и благодаря этому  стали лауреатами Нобелевской премии по химии [1, с.98]. Особенностью открытия служило то, что оно было связано с углеродом, который уже давно был известен человеку, и никто не ожидал, такого уникального открытия связанного с ним. У углерода обнаружили сферическое строение, что несвойственно для его соединения, это потрясло многих, атомы углерода находились на поверхности сферы, а внутри молекула была пуста [2, с. 1]. А также, известно, что эти сферические молекулы имеют внутри полость, в которую можно вставить другое атомы или молекулы. Такие фуллерены уже получены с атомом бора, солями металлов и др., их называют эндоэндральными, которая дает возможность хранить ядовитые радиоактивные материалы [Там же, с. 9].

Важнейшим элементом структуры фуллеренов является шестиугольник,  на вершинах которого находятся атомы углерода. Но, как нам известно,  шестиугольной формой, также обладает структура графита, и из этого следует, что графит использовался как исходное сырье для синтеза фуллерена. Поэтому точно установлено, что наиболее эффективным способом получения фуллеренов является термическое разложение слоистой структуры графита на  несколько фрагментов [3, c.52].

Открытие фуллерена дало толчок для развития дальнейших химических технологий, и стала фундаментальной в мировой науке. После этого, вышло много работ посвященных исследованию химии фуллеренов. Благодаря нему уже синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Сочетание фуллерена с различными представителями многих классов веществ, дало возможность химикам – синтетикам получать множество производных этого соединения. Представители этого класса способны подавлять разрушения молекул ДНК,  переносить электроны через биологические мембраны, активно участвовать в окислительно – восстановительных процессах в организме [4].

К основным свойствам фуллеренов следует отнести их стабильность, нерастворимость в воде, полупроводниковые свойства, фотопроводимость, безопасность для организма человека. В настоящее время их применяют в различных отраслях промышленности. Например, они используются в качестве компонентов алюминиевых сплавов повышенной прочности для электротехники, в сверхтвердых покрытиях. В медицине рассматривается перспективы их применения в лекарствах от гастрита и язвы, от раковых болезней и других препаратах[5].  Также, фуллерены готовят использовать в производстве аккумуляторных батарей, которые обладают большой эффективностью, малым весом и экологичные, не приносящих вреда окружающим [4].

Исследуя область фуллеренов и их производных, появляются работы связанные с получением, исследованием и использованием углеродных нанотрубок. Они образуются, как и фуллерены, при термическом распылении графита, представляющих из себя, протяженные цилиндрические поверхности, образованные из правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Нанотрубки, как и фуллерены, могут иметь внутри атомы различных элементов, что придает им новые физические и химические свойства. Благодаря этому создаются макроскопические объекты, как жгуты, состоящие из многих десятков нанотрубок. В отличие от кристаллических фуллеренов, представляющих собой полупроводники, структура их нанотрубок обладают металличекой проводимостью [6, с. 1009].

Нанотрубки отличаются от обычных углеродных волокон, сильным сопротивлением деформации материала, т.е. трубки очень прочные и гибкие, напоминают жесткую резину. Под действием многих внешних воздействий с нанотрубками ничего не происходит, они лишь перестраиваются [8, с. 169].

Нанотрубки отличаются от фуллеренов тем, что находятся преимущественно на поверхности катода, а не осаждаются вместе с сажей на стенках газоразрядной камеры [4]. Они также, благодаря открытым концам проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества.

Большие планы на будущее в применение нанотрубок поставлены на химическую технологию, основанную на их прочности, инертности и связаную с использованием нанотрубок в гетерогенном катализе в качестве подложки [8, c.197].

Хотя и нанотрубки очень токсичны для человека, это не пугает его. Люди всегда хотели жить лучше, поэтому в будущем устройства на основе углеродных нанотрубок станут привычной частью жизни каждого из нас.

Список литературы:

1. Э.Г. Раков. Нанотрубки и фуллерены: Учебное пособие. - М.,- 2006. 345с.
2. Н. Пржиялговская Фуллеры – сенсационное научное открытие XX века. http://www.russianscientist.org.
3. Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода// Соросовский образовательный журнал с .124.
4. Перспективы практического фуллеренов и фуллеритов:https://vuzlit.ru/1128092.
5. Глобальные технологические тренды трендлеттер / новые материалы и нанотехнологии https://www.hse.ru/data/2015.
6. А. В. Елецкий. Новые направления в исследованиях фуллеренов // УФН – 1994. – Т.164 , № 9. – C. 1007–1009.
7. Балуева К.Н. Фуллерены и нанотрубки // Международный школьный научный вестник. – 2017. – № 4. – С. 168-169.
8. А. В. Елецкий. Углеродные нанатрубки // УФН – 1997. – Т. 167, № 9. – С. 945–972.