Katedra Podstaw Techniki

1. POLITECHNIKA LUBELSKA WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA I PODSTAW TECHNIKI Katedra Podstaw Techniki

2. Nauka o materiałach Prowadzący: prof. dr hab. inż. Michał Paszeczko Politechnika Lubelska

3. Temat: Fullereny – odmiana alotropowa węgla Politechnika Lubelska

4. Odmiany alotropowe węgla • Węgiel występuje w różnych odmianach alotropowych oraz w stanie amorficznym. Obecnie wyróżniamy następujące odmiany alotropowe węgla: • grafit • diament • fullereny • nanorurki Politechnika Lubelska

5. Grafit Grafit jest odmianą alotropową węgla o barwie czarno szarej i krystalizuje w płasko centrowanej sieci heksagonalnej. Grafit (minerał) jest o metalicznym połysku, mało reaktywny, bardzo miękki, tłusty w dotyku, zwykle ma postać ziarnistych lub ziemistych skupień. Politechnika Lubelska

6. Grafit struktura sieciowa grafitu wygląd grafitu Politechnika Lubelska

7. Diament Diament krystalizuje w układzie regularnym i ma największą gęstość atomową, w której atomy są niezwykle zwarte wskutek oddziaływania dużych sił między nimi. Diament tworzy bezbarwne, przezroczyste kryształy  o ekstremalnie dużej twardości. Cechuje go duża odporność chemiczna. W wyższych temperaturach przechodzi w grafit. Politechnika Lubelska

8. Diament struktura sieciowa diamentu wygląd diamentu Politechnika Lubelska

9. Sadza Sadza - miałki, czarny proszek stanowiący mikrokrystaliczny grafit; odznacza się dużą aktywnością chemiczną i zdolnością do adsorpcji; sadzę otrzymuje się przez niecałkowite spalanie substancji organicznych lub rozkład termiczny węglowodorów; Politechnika Lubelska

10. Sadza Model struktury cząstki sadzy Politechnika Lubelska

11. Fullereny Nazwa fullereny pochodzi od nazwiska amerykańskiego konstruktora, budowniczego i matematyka R.Buckminstera Fullera, który konstruował kopuły przypominające fragment cząsteczki C60. Fullereny to nowa odmiana alotropowa węgla. Politechnika Lubelska

12. Rys.1. Struktura fullerenu C60 a) widok atomów z przedniej powierzchni, b) widok wszystkich atomów Politechnika Lubelska

13. Fullereny Od momentu odkrycia fullerenów przypuszczano, że istnieje cały szereg homologicznych cząsteczek Cn o parzystej liczbie atomów węgla n. Rozwój różnych technik umożliwił otrzymywanie coraz to większych fullerenów (fullereny giganty). Potwierdzono istnienie fullerenów C180, C240, C540, C960, a nawet C1500. Politechnika Lubelska

14. Rys. 2. Fullereny a) C60 oraz giganty, b) C140, c) C240 , d) C260, e) C530, f) C960 Politechnika Lubelska

15. Rys.3. Struktura fullerenu a) C70 oraz b)÷d) C84 Politechnika Lubelska

16. Fullereny Wykryto również obiekty fullerenowe o strukturze cebulkowej, zwane hiperfullerenami, charakteryzujące się tym, że wewnątrz fullerenu jest wbudowany inny mniejszy. Politechnika Lubelska

17. Rys. 4 Budowa hiperfullerenu a) widok wszystkich atomów, b) widok fullerenu wewnętrznego, c) widok fullerenu zewnętrznego Politechnika Lubelska

18. Otrzymywanie fullerenów • Metoda laserowa • Metoda elektrołukowa (Krätschmera i Huffmana) • Ekstrakcja i rozdzielenie fulerenów Politechnika Lubelska

19. Metoda laserowa Politechnika Lubelska

20. Metoda elektrołukowa Politechnika Lubelska

21. Podział fullerenów Fulereny dzielimy na trzy rodzaje: • Fulereny endohedralne • Fullereny egzohedralne • Heterofullereny Politechnika Lubelska

22. Fulereny endohedralne To fulereny, wewnątrz których został uwięziony obcy atom. Wewnętrzny atom jest niejako izolowany od otoczenia, a jednocześnie zachodzi wymiana ładunku elektrycznego między nimi.

23. Fulereny egzohedralne To fulereny, do których przyłączyły się obce atomy od „zewnątrz”, w których struktura klatki węglowej pozostaje nie zmieniona.

24. Heterofullereny To fulereny, w których nastąpiła częściowa lub całkowita substytucja atomów węgla w strukturze klatkowej C60 przez atomy innych pierwiastków najczęściej boru i azotu.

25. FULERYTY Fulereny krystalizują w układzie regularnym ściennie centrowanym, a ich odmiana krystaliczna została nazwana fulerytem Wybrane właściwości Krystaliczna postać C60

26. POLIFULERENY Połączenie właściwości fulerenów ze zróżnicowanymi właściwościami polimerów zaowocowało stworzenie dwóch typów polifulerenów. Pierwszym typem są związki chemiczne  o budowie łańcuchowej, w których fulereny wbudowane są do szkieletu łańcucha, drugi typ to dołączenie futbolówek w postaci grup bocznych. Rys. Schemat polimerów fulerenowych a) fulereny wbudowane do łańcucha b) fulereny przyłączone jako grupy boczne

27. POLIFULEREN USIECIOWANY Polimer ten wykazuje łatwą polimeryzację prowadzącą do powstania cienkich błonek i powłok charakteryzujących się nowymi właściwościami mechanicznymi, optycznymi i elektrycznymi. Polifulereny te mogą być wykorzystane w formie smarów o małym współczynniku tarcia i dużej odporności na ścieranie. Rys. Polifuleren usieciowany

28. FOTOPOLIMERYZACJA Fotopolimeryzacja polega na naświetlaniu kryształu C60 wiązką lasera o odpowiednio dobranej mocy w temperaturze min. 260K. W tym procesie tworzą się silne wiązania chemiczne między futbolówkami w miejscu słabszych sił van der Waalsa. Schemat powstania wiązań chemicznych między cząsteczkami C60.

29. Zastosowanie fullerenów • Fullereny mogą być potencjalnie stosowane w dziedzinach, do których zaliczamy: • metalurgie, jako dodatki polepszające własności niektórych stopów • cienkie warstwy w technice membranowej • bioczujniki, biosensory • elementy smarów • katalizatory • modyfikatory tonerów (kserokopiarki) • przemysł fotochemiczny • modyfikatory w przemyśle wulkanizacyjnym • elementy statków kosmicznych • warstwy polimerowe.