1 / 26

Fullereny, nanotrubky

Fullereny, nanotrubky. Fullereny: historie – objev. 80. léta 19. století - H. Kroto, R .Smalley a B. Curl laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů (vyčnívají maxima odpovídající složení klastrů C 60 a C 70 )

yonah
Télécharger la présentation

Fullereny, nanotrubky

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fullereny, nanotrubky

  2. Fullereny: historie – objev • 80. léta 19. století- H. Kroto, R .Smalley a B. Curl • laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů (vyčnívají maxima odpovídající složení klastrů C60 a C70) • nejintenzivnější signál m/e 720 odpovídal jediné molekule: uzavřené uhlíkové struktuře složené z pěti a šestiúhelníků podobné fotbalovému míči www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  3. architektR. Buckminster Fuller (budova v Montrealu),molekula pojmenovaná „buckminsterfuller“

  4. Fullereny = 3. alotropická modifikace uhlíku • kondenzované polycyklické klecové struktury (sudý počtu uhlíkových atomů), poskládané přednostně z pěti a šestiúhelníků • pravidlo o izolovaných pětiúhelnících (Isolated Pentagons Rule) = stabilní jsou takové fullereny, v nichž se nenachází 2 pětiúhelníky vedle sebe (předpoklad: minimum násobných vazeb v těchto pětiúhelnících)-splňuje C60 Dovolené konfigurace C60 C70 „BUCKYBALLS“

  5. IUPAC: • C60 = (C60-Ih)[5,6]fulleren • C70 = C70-D5h(6))[5,6]fulleren • 1. číslo (C60)- obsah uhlíku • 2. údaj (Ih)- grupa symetrie • číslo v hranatých závorkách ([5,6])- velikosti kruhů ve fullerenu

  6. 1) odpařováním grafitu H. Kroto, 1985 2) původně z fullerenových sazí (elektrický oblouk mezi grafitovými elektrodami) saze: 10 % fullerenů (C60, C70)-následná extrakce Krätschmer a Huffman, 1990 3) spalování organického materiálu (vedlejší produkt: aromatické polykondenzované systémy) opět nutné čištění, ale: větší měřítko výroby, kontinuální provádění procesu J. Howard, J. T. McKinnon, MIT, 1991 Výroba fullerenů http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/carbon.html

  7. mechanismus vzniku komplikovaný • při teplotách okolo 3000 K vznikají snadno • lineární řetězce-polycyklické sloučeniny-fullerenové struktury • čištění asi 85 % výrobních nákladů

  8. Obrázek: Čištění surových fullerenových sazí www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  9. 13C NMR spektra http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/Fullerene/confirmation.html

  10. UV/VIS spektra J.P. Hare, H. W. Kroto, R. Taylor, Chem. Phys. Letters, 177, 4,5, 394–398

  11. Chemie fullerenů: deriváty www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  12. Chemie fullerenů: vlastnosti • 12500 rezonančních struktur • nejnižší energii má struktura, ve které jsou dvojné vazby mezi šestiúhelníky (6-6 vazby) a jednoduché vazby mezi šestiúhelníkem a pětiúhelníkem (6-5 vazby) • 6-5 vazby (1,45 Ǻ); 6-6 (1,38 Ǻ) • nenasycený polyen (nikoliv delokalizace, aromaticita!!!) • uhlíky v C60 – sp2 hybridizace, uspořádání pyramidální, nikoliv planární-pnutí • C60 elektronegativní, lze snadno redukovat www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  13. Chemie fullerenů: redukce 1) • elektrochemicky v roztoku (cyklická voltametrie) • do C60 6 – lze kroky izolovat-reverzibilní • jednotlivé redukční potenciály téměř ekvidistantní (Δ ≈ 400mV) • každá částice charakteristické UV/VIS s ESR vlstnosti 2) • redukce elektropozitivním kovem (alk. kov, kovy alk. zemin) • atomy kovu poté interkalovány v mřížce fullerenu • vznik FULLERIDŮ (MxC60) – některé vykazují supravodivost 3) • redukce organickými elektrondonory • vznik charge-transfer komplexů • TDAE (tetrakis(dimethylamino)ethylen – vznik (TDAE)C60 – ferromagn. chování, využití v elektronice

  14. Chemie fullerenů: adiční reakce • obzvláště nukleofilní a radikálová adice na 6-6 vazby • cykloadice • vznik η2 komplexů s přechodnými kovy • možné i elektrofilní adice (halogenace, hydrogenace…) • hnací silou adicí = UVOLNĚNÍ VNITŘNÍHO PNUTÍ • reakce obvykle exotermní • regioselektivní - snaha o minimalizaci počtu 5-6 vazeb • v C60 preferovaná 1,2-adice na vazbu 6-6, čímž nevzniká žádná dvojná vazba v pětiúhelnících www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  15. příklad cyklopropanační reakce: • příklad složitější struktury vzniklé cyklopropanací: www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  16. cykloadiční reakce: Diels-Alderova reacke • endohedrální komplexy: • obvykle monometalické • bohaté zastoupení komplexy lanhanoidů Ln@C80, Ln@C82, Ln2@C82

  17. Využití fullerenů • uhlíkové povrchy • výroba hard-disků • vodivé polymery a polymery pro elektrotechniku • solární panely • transistory • fotodetektory • biofarmaceutika • neuroprotektory (vůči Alzheimrově a Parkinsonově nemoci) • inhibitory HIV proteasy • kosmetika • krémy proti stárnutí • a další…

  18. Nanotrubky • objeveny a popsány v roce 1991 (carbon nanotubes) • vyvolaly stejný rozruch jako fullereny • makromolekuly uhlíku podobné grafitu stočené do válce • velmi pevné • Příprava: • nejčastěji využitím oblouku garafitových elektrod (přítomnost katalyzátoru Fe, Co, Ni) • laserová ablace uhlíkového povrchu v peci

  19. Druhy: • jednovrstvé nanotrubky (SWNT-Single Walled carbon NanoTubes) • vícevrstvé nanotrubky (MWNT-Multiple Walled carbon NanoTubes) http://science.uwaterloo.ca/~foldvari/about/index.html

  20. SWNT: • zahnutím grafitové plochy do prostorového útvaru (může/nemusí být uzavřený) • pouze ze šestiúhelníků nelze vytvořit uzavřený útvar • pro uzavření z obou stran-přítomnost 12 pětiúhelníků (jako u C60), zakřivení plochy • d = 1,2 – 1,4 nm, l = μm • MWNT: • vnitřní d = 1–3 nm, vnější d = 2–20 nm, l = μm zakřivení plochy přítomností pětiúhelníku www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  21. A,C) achirální B) chirální • topologie ovlivňuje vlastnosti (např. vodivost) www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  22. Vlastnosti nanotrubek • chem. reaktivita větší než u grafitu • existují ve formě provazců a svazků, jednotlivé nanotrubky: van der Waalsovy síly • nereaktivní systémy • nerozpustné • rozpustné modifikace představeny nedávno (oxidace kys. dusičnou, vznik karboxylových skupin; adice karbenů, radikálů na stěny trubek) • elektricky vodivé • optická aktivita chirálních nanotrubek se s rostoucí velikostí zmenšuje • machanická pevnost

  23. Uhlíkové lusky (carbon peapods) • prázdné SWNT naplněné fullereny (nejčastěji C60 a C70)-vznik v plynné fázi A) 400 °C B) 800 °C- náhodné spojení některých sousedních fullerenů C) 1000 °C- koalescence na tubulární systém D) 1200 °C- zcela tubulární topologie E)25 °C- lusk www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf

  24. Uhlíkové cibule (carbon onions) • endohedrální komplexy fullerenů • princip „matrjoška“ • fullereny slouží pravděpodobně jako templáty (zárodečná centra), okolo další fullerenové struktury • d = 4 – 36 nm • Příprava: • modifikace metod založených na oblouku mezi grafitovými elektrodami • laserová ablace uhlíkového povrchu v peci

  25. Potenciální využití nanotrubek • templáty • nanoreaktory • kompozitní materiály • výstuže • tepelné materiály • tepelné vodiče • kondenzátory • mikroelektronika • vlákna a tkaniny • nosiče katalyzátoru • a další… AFM (Atomic Force Microscopy)-mikroskopie atomárních sil, trojrozměrné zobrazení povrchu

  26. Děkuji za pozornost Použitá literatura: [1] www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf [2] http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/carbon.html [3] http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/Fullerene/confirmation.html [4] J.P. Hare, H. W. Kroto, R. Taylor, Chem. Phys. Letters, 177, 4,5, 394–398 [5] http://science.uwaterloo.ca/~foldvari/about/index.html

More Related