Учебно-методический комплекс для магистров «Плазмохимические методы получения композитных материалов на основе композитных нанотрубок» (стр. 3 )

10. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

И ЭЛЕКТРОННЫХ РЕСУРСОВ

(Учебно-методическое обеспечение курса)

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

, . Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. М. : Издательство Машиностроение, 20с. . Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 20с. , , . Фуллерены. Учебное пособие. М: Издательство "Экзамен", 2005. — 688 с. M. Meyyappan. Carbon nanotubes science and applications. CRC Press LLC. 2005. M.

5.  , , Вурзель и прикладная плазмохимия. М.: Наука, 1975.

Райзер газового разряда. М.: Наука, 19С

7.  , , Сахаров физики плазмы. М.: Атомиздат, 19С.

ОБЩАЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Балабанов наука будущего. Издательство: Эксмо, 2009 г. Головин, в нанотехнологию. М. : Машиностроение, 20с. Дьячков, нанотрубки: старение, свойства, применения. М. : БИНОМ ; Лаборатория знаний, 20с. Введение в нанотехнологию/Н. Кобаяси, пер. с япон. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 20с.

12.  Carbon Nanotubes. Eds. M. S.Dresselhaus and Ph. Avouris. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 2001.

13.  , , Якубов неравновесной низкотемпературной плазмы. М., Наука, 1982.

14.  Введение в физику плазмы, М.: Мир, 19С.

15.  , , . Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме. Учеб. пособие. СПб:Издательство

С. Петербургского университета, 20с.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПО ОТДЕЛЬНЫМ РАЗДЕЛАМ КУРСА

А. Фурсенко. Научное и организационное обеспечение развития наноиндустрии в РФ. http://www. *****/index. html Смолли фуллерены. Нобелевская премия. Стокгольм, 7 декабря 1996 г. Успехи физических наук, т. 168, с.Керл открытия фуллеренов: эксперимент и гипотеза. Нобелевская премия. Стокгольм, 7 декабря 1996 г. Успехи физических наук, т.168, с. Симметрия, звезды, космос и С60. Нобелевская премия. Стокгольм, 7 декабря 1996 г. Успехи физических наук, т. 168, с.Елецкий свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе. Успехи физических наук. 2007. Т. 177, № 3. С. 233 – 274. Елецкий, нанотрубки и их эмиссионные свойства. Успехи физических наук. 2002. Т. 172, № 4. С. 401 – 438. Елецкий, структуры. Успехи физических наук. 2000. Т. 170, № 2. С. 113 –142. Елецкий, нанотрубки. Успехи физических наук. 1997. Т. 167, № 9. С. 945 –972. Раков, получения углеродных нанотрубок. Успехи химии. 2000. Т. 69, № 1. С. 41 –59. Раков, тонких углеродных нанотрубок каталитическим пиролизом на носителе. Успехи химии. – 2007. Т. 76, № 1. С. 3 – 26.

26.  , , Полак высоких энергий, М.: Химия, 1988.

27.  Словецкий химических реакций в неравновесной плазме. M., Наука, 1980.

28.  Цытович -пылевые кристаллы, капли и облака. УФН.1997. Т.167. С. 57 – 99.

Meyyappan, L. Delzeit, A. Cassell, D. Hash. Carbon nanotube growth by PECVD: a review. Plasma Sources Sci. Technol., v.12, p.205–216, (2003). http://www. *****/news/2007/poluchenie-odnosloinykh-uglerodnykh-nanotrubok-iz-uglerodnogo-poroshka-v-plazme. , , . Влияние электрического поля анодного слоя тлеющего разряда на рост ориентированных углеродных нанотрубок. Физика плазмы, т. 33, № 1, с. 48-58, 2007.

11. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

И ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Методические рекомендации предназначены для самостоятельной работы студентов, идущей параллельно с лекционным курсом, практическими (семинарскими) занятиями и лабораторным практикумом.

Комплекс расчетных заданий для самостоятельной работы студентов преследует цель помочь студенту глубже познать основные теоретические положения курса. Большая часть заданий логически связана друг с другом. Это означает, что величины, полученные при выполнении данного задания, являются исходными данными для решения последующих задач. Естественно, что при таком условии необходимо на каждом этапе быть убежденным в правильности выполнения предыдущего расчета. Это обеспечивается систематическими консультациями с научными руководителями и проведением тестовых расчетов для ранее выполненных заданий.

За каждым студентом закреплен определенный вариант. Выполняйте этот вариант в той последовательности, которая указана в тексте задания.

Многие величины Вам необходимо найти в справочниках, для чего рекомендуется использовать электронные ресурсы, имеющиеся в Интернете и электронные библиотеки (в том случае, если в реализующем дисциплину учебном заведении имеется доступ к серверам библиотек.

12. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ РАБОТ

Целью курсовой работы является комплексное исследование по одной из тем учебной дисциплины, в ходе которого обучаемый использует активные, творческие методики усвоения нового материала, включающие в себя элементы самостоятельного научного исследования. При выборе темы Вам следует руководствоваться собственными интересами, перспективными соображениями относительно будущей специализации и трудовой деятельности и, безусловно, рекомендациями Вашего научного руководителя

Для выбора требуемой для выполнения работы литературы целесообразно ознакомиться с приведенной в Списках основной и дополнительной литературой, касающейся заинтересовавшей Вас темы курсовой работы и проконсультироваться с Вашим научным руководителем.

При оформлении курсовой работы необходимо соблюдать общие правила, предъявляемые к оформлению печатных текстов физико-математического содержания.

Для подготовки к защите курсовой работы целесообразно подготовить конспект Вашего выступления (длительностью не более 10 минут) и наглядную информацию в виде постера или компьютерной презентации.

13. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ

по учебной дисциплине "Плазмохимические методы получения композитных материалов на основе композитных нанотрубок":

Важнейшей задачей преподавателей, ведущих занятия по дисциплине "Плазмохимические методы получения композитных материалов на основе композитных нанотрубок": является выработка у студентов осознания необходимости и полезности знания дисциплины как теоретической основы для их будущей деятельности как в области организации и обеспечения производства наноматериалов, так и в разработке принципиально новых (более эффективных) методов и подходов к созданию композитных наноматериалов на углеродной основе.

Методически преподавание дисциплины основано, в первую очередь, на чтении курса лекций, содержащих не только информацию по теории, лежащей в основе используемых сегодня методов производства композитных наноматериалов, но и иллюстрируемого большим объемом конкретной справочной информации по количественным данным, полученных в результате многочисленных экспериментальных исследований, содержащейся в периодической литературе и Интернет-ресурсах.

Используемые методы преподавания: лекционные занятия с использованием наглядных пособий, компьютерных презентаций и раздаточных материалов; индивидуальные и групповые задания обеспечивают более глубокое усвоение материала и формирование у обучаемых навыков их практического использования в их будущей трудовой деятельности.

С целью более эффективного усвоения студентами материала данной дисциплины рекомендуется при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий использовать современные технические средства обучения, наглядные пособия, Интернет-ресурсы, электронные программные оболочки для интерактивного обучающего тестирования, предшествующего официально запланированным мероприятиям по контролю качества обучения.

Для более глубокого изучения предмета и подготовки ряда вопросов (тем) для самостоятельного изучения преподаватель предоставляет студентам необходимую информацию по разделам дисциплины для использования Интернет-ресурсов и ссылки на оригинальные научные публикации в периодических изданиях.

Содержание занятий определяется календарным тематическим планом, который в своей содержательной части должен учитывать интересы соответствующих направлений подготовки бакалавра, магистра, специалиста.

Преподавателям, обеспечивающим преподавание дисциплины, рекомендуется предоставить обучаемым все контрольно-измерительные материалы, которые будут ими использоваться на промежуточных тестированиях (в ходе текущего контроля качества усвоения материала) и при итоговой аттестации (на экзамене по дисциплине). При необходимости (по просьбе обучаемых) рекомендуется проводить консультации и семинары по обсуждению дополнительных вопросов, возникающих при изучении курса.

При наличии академических задолженностей у студента, преподаватель может организовать (по согласованию с деканатом) одну или несколько пересдач. Пересдачи экзамена по дисциплине рекомендуется проводить в письменной форме, минимизирующей вероятность возникновения трудно разрешимых конфликтных ситуаций, возникающих в случаях, когда обучаемый оказывается не в состоянии успешно пересдать экзамен по дисциплине.

Для контроля знаний студентов по данной дисциплине необходимо проводить оперативный и итоговый контроль.

Контрольное тестирование включает в себя задания по всем темам раздела рабочей программы дисциплины и организуется в письменной форме. Цель тестирования (и соответствующей ему письменной части экзамена) состоит в контроле наличия у обучаемого минимума знаний, позволяющих выставить ему положительную оценку. Вариант контрольного тестирования содержит вопросы, ответы на которые могут быть даны в весьма краткой форме, допускающей выполнение всех 10 заданий теста за время, не превышающее 30 мин. Более полный вывод о качестве усвоения обучаемым дисциплины делается преподавателем на основе ответов на устной части экзамена.

Система оценок выполнения контрольного тестирования: по каждому из четырех разделов лекционного курса проводится контрольный тест, содержащий по 11 вопросов, требующих весьма кратких ответов и выбираемых из общего списка (заранее доступного студентам) случайным образом. Ответ на каждый из вопросов оценивается по трехбалльной системе (0, ½, 1). Суммарная оценка получается путем суммирования набранные за каждый из ответов очков и отбрасывания дробной части от получившейся суммы. Суммарные баллы, набранные студентами на каждом из четырех промежуточных тестах складываются, в результате чего получается итоговая оценка по промежуточному тестированию. Эта оценка может быть засчитана (при наличии согласия со стороны студента и преподавателя) в качестве оценки за письменную часть экзамена по дисциплине. Перевод набранных на тестах (или письменной части экзамена) баллов в стандартную шкалу оценок производится по приведенному ниже алгоритму.

. Студенты, набравшие на письменной части от 0 до 10 баллов включительно, на устную часть экзамена не допускаются и получают в качестве итоговой оценку «неудовлетворительно». Студенты, набравшие на письменной части экзамена от 11 до 20 баллов включительно, на устную часть экзамена не допускаются и получают в качестве итоговой оценку «удовлетворительно». Студенты, набравшие на письменной части экзамена более 20 баллов, допускаются на устную часть экзамена, на которой преподаватель имеет право выставить любую из четырех оценок («неуд.», «удовл.», «хор.» и «отл.») в зависимости от ответа студента. Во время беседы с экзаменуем преподаватель имеет право, а в случае намерения выставить оценку «хор.» и «отл.» - обязан включить в дополнительные вопросы те, которые вызвали у экзаменуемого затруднения при выполнении письменной части экзамена или тестов. По заявлению студентов преподаватель имеет право освободить их от сдачи устной части экзамена. В этом случае студентам, набравшим на письменной части от 21 до 30 баллов включительно может быть вставлена итоговая оценка «удовлетворительно», а набравшим более 30 баллов – «хорошо». Преподаватель, обеспечивающий чтение лекций по курсу, имеет право изменить условия освобождения студентов от части мероприятий по контролю знаний и изменить критерии выставления оценок лишь в сторону усиления требований, предъявляемых к студентам. Правила выставления оценок по дисциплине должны быть доведены до сведения обучаемых не позднее, чем в течение месяца после начала чтения курса.

14. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И РЕСУРСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

В процессе изучения дисциплины "Плазмохимические методы получения композитных материалов на основе композитных нанотрубок" в целом или отдельных тем, а также при организации самостоятельной работы студентов целесообразно использовать следующие электронные и интернет-ресурсы, содержащие электронные учебники, пособия, тестовые материалы и т. п.:

http://www. /

http://www. *****

http://www. *****

http://*****

http://www. *****

http://www. *****/

http://perst. isssph. *****/

http://www. *****/

http://*****/defaultx. asp

http://www. *****/ibores/nano/cat_show. php? rid=1418

http://www. *****/

15. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА: ПОЛНЫЕ ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ

по учебной дисциплине "Плазмохимические методы получения композитных материалов на основе композитных нанотрубок".

Лекция -1

Нанотехнологии: первое знакомство

Термин «нанотехнологии» используется для обозначения комплекса знаний и технологий, связанных с получением, изучением и использованием объектов с размерами порядка нанометра, являющимися переходными от микрообъектов к макропорциям вещества, находящегося в конденсированном состоянии. Наноматериалы на углеродной основе (фуллерены, нанотрубки и нановолокна) привлекают устойчивый интерес исследователей как с точки зрения фундаментальных, так и прикладных задач.

1.1. Основные понятия

Нанотехнологии наряду с информационными и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в ХХI веке, одним из перспективных и востребованных направлений развития науки, технологий и промышленности в индустриально развитых странах. Нанотехнологии используются как для создания принципиально новой продукции (полупроводниковые лазеры, светодиоды, биочипы), так и для улучшения или придания новых потребительских свойств известной продукции (ткани с нанопокрытиями, новые композитные и конструкционные материалы и пр.).

Исходя из самого названия „нанотехнология“ можно заключить, что данное научное направление работает с объектами, размеры которых измеряются нанометрами („нано“ – означает 10-9 м). То есть нанотехнология – это процесс получения и использования материалов, состоящих из наночастиц (наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты).

Базой для нового прорыва в сфере высоких технологий стали научные исследования в самых разных областях: материаловедении и электронике, биологии и атомной физике.

В настоящий момент правительством Российской Федерации в научно-исследовательском плане выделены приоритетные направления НИОКР в сфере нанотехнологий, перечень которых следует мировым тенденциям развития наноиндустрии и потребностям российской экономики, национальной обороны и безопасности. Было выделено: [1]:

• создание конструкционных наноматериалов гражданского и двойного назначения со специфическими эксплуатационными свойствами (прежде всего прочностными характеристиками);

• композитные наноматериалы на основе углерода (углеродные нанотрубки, фуллерены и др.);

• создание научного, аналитического и технологического оборудования для наноиндустрии.

• материалы и технологии для наноэлектроники и нанофотоники;

• медицинские препараты и биоматериалы;

Первостепенное внимание в программе Правительства РФ уделяется проблеме создания композитных наноматериалов на основе углерода, а именно углеродных нанотрубок и фуллеренов.

1.2. Наноматериалы на основе углерода

Как хорошо известно, углерод является основой жизни на нашей планете. Разнообразие биологических видов в значительной степени обусловлено возможностью атомов углерода создавать новые формы структурного состояния, приспособленные к функционированию в условиях окружающей среды. Высокая степень приспособляемости к внешним условиям объясняется тем, что атомы углерода имеют природную способность образовывать различные аллотропические формы, способные удовлетворить невероятные запросы органической и неорганической природы. Термин «аллотропия» произошел от слияния двух греческих слов állos – другой и trópos - поворот, свойство – и используется для обозначения явлений существования одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам, т. е. аллотропических модификаций или аллотропических форм.

Углеродосодержащие соединения не только составляют основу многочисленных сложных биологические и органические структур, но даже в неорганической природе образуют несколько модификаций простых веществ, сильно отличающиеся по свойствам и находящие разнообразные и многочисленные практические применения (сажа, графит и алмаз). В последние годы ХХ столетия синтезированы новые аллотропные соединения углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки и нановолокна.

Новые аллотропные соединения особенно привлекают внимание как структуры, способные произвести революционные преобразования в нанотехнологии. Развитие технологий, связанных с получением и использованием наноматериалов, приводит к кардинальным изменениям во многих направлениях человеческой деятельности – электронике, информатике, материаловедении, энергетике, космических технологиях, машиностроении, триботехнике (изучение трения и износа трущихся поверхностей), биологии, медицине, сельском хозяйстве и экологии. Эксперименты показывают, что углеродные нанотрубки (УНТ) являются материалом с рекордно высокими значениями модуля Юнга (≈1ТПа), что обусловлено совершенством структуры и сильной химической связью между атомами углерода, составляющими нанотрубку. Высокие прочностные свойства УНТ представляют значительный интерес с точки зрения новых материалов и объектов, обладающих высокими механическими свойствами. Имеются сведения о технологии получения сверхпрочных волокон, пряжи и тканей из нанотрубок. Подобные изделия по своим механическим характеристикам стоят вне конкуренции среди любых других подобных материалов. В настоящее время усилия многих исследователей направлены на получение композитных материалов, представляющих собой полимеры с добавлением УНТ. Проблемой является создание сопряжения поверхности полимера и нанотрубок, так, чтобы на границе раздела создавалась химическая связь между сопрягаемыми атомами. Если проблема сопряжения будет решена, то такие материалы, сочетающие пластичность и низкую стоимость полимеров с хорошей электропроводностью и высокой прочностью УНТ, окажутся уникальными для решения многих проблем материаловедения.

В настоящий момент времени углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна (УНВ) интенсивно изучаются, в научной литературе имеются многочисленные сообщения о новых необычных физико-химических и прочностных свойствах. УНТ и УНВ являются необычайно прочными структурами. Модуль упругости бездефектных УНТ на порядок превышает модуль упругости высоколегированных сталей. Для УНВ высокие значения модуля упругости наблюдаются в том случае, когда гексагональная сетка графита направлена вдоль продольной оси нановолокна. Известно, что упругая деформация макроскопических твердых тел не превышает 0,01…0,1 %. Упругая деформация УНТ достигает 10…15 %. Необычайно высокие механические свойства создают прекрасную возможность создания композиционных материалов на основе полимеров, каучуков и даже металлов. Так, например, введение УНТ в каучук позволяет получить резину с прекрасными упругими свойствами и хорошей теплопроводностью, что позволяет рассеивать тепловую энергию при циклических переменных нагрузках (например, корд быстровращающегося колеса гоночного автомобиля). УНТ может также использоваться для упрочнения металлов и сплавов и усиления жаропрочности мягких металлов (например, медь), имеющих хорошую теплопроводность, но низкую прочность. УНТ выдерживают температуру Т = 1500 К, что делает их весьма перспективными для создания жаропрочных композитов на основе меди и других легкоплавких металлов (Аl, Аg, Аu). Разработанные методы синтеза УНТ используют высокие температуры или высокие давления, отличаются сложностью и часто высокой ценой продукции. Современное развитие наноэлектроники требует изощренных методов получения качественных упорядоченно расположенных на подложке с высокой плотностью УНВ и УНТ [2].

1.3. Фуллерены

Конец XX века ознаменовался открытием новых форм углерода, представляющих собой замкнутые структуры, по­верхность которых выполнена шестиугольниками и пятиу­гольниками с атомами углерода в вершинах. Наиболее интересными разновидностями этих новых углеродных структур являются фуллерены и нанотрубки. Структура наиболее рас­пространенных фуллеренов представлена па рис.1.1. Фуллерены представляют собой полые внутри оболочки, поверхность которых представляет собой замкну­тую сферу или сфероид, образованный правильными шести­угольниками и пятиугольниками, в вершинах которых нахо­дятся атомы углерода [2-4]. При этом число пятиугольни­ков всегда равно 12, а число шестиугольников зависит от размера молекулы фуллерена. Открытие фуллеренов отме­чено Нобелевской Премией по химии за 1996 год [9-11]. Для создания фуллеренов обычно используется дуговой разряд между угольными электродами в атмосфере буферного газа (как правило – гелия).

Рис 1.1. Структуры фуллеренов, составленные из пятиутольных и шести­угольных колец углерода.

Число атомов углерода в фуллерене. а) - 28; б; в) - 50,
г) - 60, д) – 70.

1.4. Углеродные нанотрубки

Другой класс поверхностных структур углерода известен под названием углеродные нанотрубки (УНТ) [2-4]. Самое грубое представление об объектах этого класса можно составить, представив себе «продолговатый фуллерен». Именно таким образом и рассматривались эти объекты сразу после их открытия. Однако дальнейшие исследования показали, что класс углеродных нанотрубок по разнообра­зию структур и физико-химических характеристик значи­тельно превосходит класс фуллеренов. Это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, длина которых может достигать нескольких микрон, состоящие из одного или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых слоев и заканчивающие­ся обычно полусферической головкой, которая может расс­матриваться как половина молекулы фуллерена (рис.1.2). Впервые нанотрубки были обнаружены в саже, которая обра­зуется в условиях дугового разряда между угольными электродами, используемого для получения фуллеренов.

Рис 1.2. Идеализированная структура однослойной нанотрубки.

В отличие от фуллеренов, представляющих собой молеку­лярную форму углерода, УНТ сочетают в себе свойства мо­лекул и твердого тела и могут рассматриваться как промежу­точное состояние вещества (между молекулярным и конден­сированным). Эта особенность привлекает к себе постоянно растущий интерес исследователей, направленный на изуче­ние фундаментальных особенностей поведения столь экзо­тического объекта в различных условиях.

1.5. Практическое использование углеродных нанотрубок

В последние годы наблюдается повышенный интерес к исследованиям, направленным на получение, установление физико-химических характеристик и определение путей наиболее эффективного практического использования УНТ. В результате этих исследований быстро меняются наши представления о меха­низмах синтеза УНТ в различных экспериментальных усло­виях, об их структурных особенностях и физико-химичес­ком поведении, а также о возможностях применений.

Интерес к получению и исследованию поверхностных структур углерода связан с двумя важными обстоятельствами. Во-первых, это фундаментальный научный интерес, который вызван новыми структурными особенностями и физико-хи­мическими характеристиками этих объектов. Наличие внут­ри фуллерена и нанотрубки замкнутой полости, размер кото­рой сопоставим с характерными размерами атома или неболь­шой молекулы, позволяет создавать так называемые эндоэдральные структу­ры, в которых одна или несколько атомных частиц заключены внутрь графитовой оболочки. Изучение поведения таких ин­капсулированных частиц стало возможным только и резуль­тате открытия фуллеренов и углеродных нанотрубок. Иссле­дование таких свойств УНТ, как электронная структура, элек­тропроводность, химическая активность, механические и сорбционные характеристики и т. п. представляет фундамен­тальный интерес и обогащает наше знание о природе.

Во-вторых, необычные физико-химические свойства фуллеренов и УНТ составляют основу для множества нап­равлений прикладного использовании этих объектов. Так, молекула фуллерена, содержащая множество двойных угле­родных связей, является основой для получения целого класса новых химических соединений, обладающих разно­образными физико-химическими свойствами. Эти соедине­ния, без сомнения, найдут свое применение в технологии но­вых материалов, фармакологии и др. Хорошая проводи­мость и высокое аспектное отношение УНТ делают их уни­кальным источником полевой электронной эмиссии, кото­рый может быть использован в высокоэффективных холод­ных эмиссионных катодах. В зависимости от геометрии, ин­дивидуальная УНТ может обладать свойствами либо метал­лического проводника, либо полупроводника с различными значениями ширины запрещенной зоны и концентрации но­сителей. Это позволяет рассматривать УНТ как самый мини­атюрный электронный прибор, который может составить ос­нову для будущих вычислительных устройств с рекордно высокой информационной емкостью. Разработка интеграль­ных схем, включающих в себя элементы на основе УНТ, мо­жет привести к революционным изменениям в области ми­ниатюризации современных компьютеров.

Еще одно важное фундаментальное свойство УНТ связа­но с се высоким аспектным отношением, благодаря которо­му напряженность электрического поля в окрестности го­ловки нанотрубки в сотни раз превышает соответствующее среднее по объему значение напряженности электрического ноля, создаваемого внешним источником. Это, в свою оче­редь, приводит к аномально высокому значению тока эмис­сии при сравнительно низком напряжении, приложенном к УНТ, что ставит эмиттеры с катодами, содержащими УНТ, вне конкуренции среди приборов, действие которых основано па полевой авто электронной эмиссии. К приборам этого типа относятся в первую очередь плоские кинескопы и катоднолучевые осветительные лампы. Таким образом, разработка эмиттеров на основе УНТ ведет к созданию ново­го широкого класса электронным приборов, отличающихся аномально малыми поперечными размерами и низким нап­ряжением питания.

Другое замечательное свойство УНТ связано с возмож­ностью их заполнения газообразными либо жидкими вещес­твами. Поскольку УНТ является поверхностной структурой, вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Это определяет аномально высокую удельную поверхность нанотрубок, что, в свою очередь, задает особенности их электохимических и сорбционных характеристик. Расстояние между графитовыми слоями в многослойной углеродной панотрубке близко к соответствующему значению дня крис­таллического графита (3.4 нм). Это расстояние достаточно велико для того, чтобы внутри УНТ могло разместиться не­которое количество вещества. Тем самым УНТ могут расс­матриваться как уникальная емкость для хранения веществ, находящихся в газообразном, жидком либо твердом состоя­нии. В случае если речь идет о веществе, способном сорби­роваться на внутренней поверхности графитового слоя, сос­тавляющего нанотрубку, плотность сорбированного вещест­ва может приближаться к соответствующему значению для плотности конденсированного состояния.

Вещество проникает внутрь нанотрубки под действием внешнего давления либо в результате капиллярного эффекта и удерживается внутри нее благодаря сорбционным силам. При этом графитовая оболочка обеспечивает достаточно хорошую защиту содержащегося в ней материала от внешнего химического либо механического воздействия. Это позволя­ет рассматривать УНТ как потенциальное средство храпе­ния материалов в течение длительного времени. В частности, ведутся интенсивные исследования, направленные на разработку устройств для хранения газообразного водорода па основе УНТ. В случае успеха этих исследований можно ожидать создания нового типа автомобильных двига­телей, использующих в качестве топлива водород и отлича­ющихся высокой степенью экологической безопасности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ТЕСТА ПО МАТЕРИАЛАМ ЛЕКЦИИ - 1

1. Какие области знаний и деятельности принято относить к нанотехнологиям?

2. Какие направления исследований в области нанотехнологий выделены сегодня в качестве приоритетных для Российской Федерации?

3. Какими особенностями должны обладать вещества, чтобы для них мог применяться термин «аллотропия»?

4. Перечислите синтезированные в конце ХХ века аллотропные соединения углерода, представляющие наибольший интерес для нанотехнологий.

5. Дайте сравнительное описание наиболее важных для нанотехнологий аллотропных соединений углерода: фуллеренов, нанотрубок и наноовлокон.

6. Какие свойства фуллеренов и нанотрубок определяют повышенный интерес к их практическому использованию?

7. Дайте краткое описание эндоэдральных структур.

Лекция -2

Структура фуллеренов и нанотрубок

Поверхности фуллеренов и нанотрубок образованы почти правильными пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Наличие свободных объемов внутри оболочек указанных наноструктур позволяет размещать внутри них «чужие» атомы и молекулы «эндоэдральные фуллерены», газы и жижкости. Многослойные нанотрубки представляют собой иной вариант заполнения внутреннего объема нанотрубки (более мелкими инанотрубками или их частями).

2.1. Структура простейших фуллеренов.

Атом углерода имеет электронную оболочку 2х~2р. Равновесное состояние конденсированного углерода при нормальных условиях соответствует кристал­лической структуре природной модификации твердого угле­рода - графита. Структура графита показана на рис.2.3. Слои графита, выполненные правильными шестиугольниками со стороной 0,142 нм, разделены расстоянием 0,335 нм, причем атомы соседних слоев расположены не друг над другом, а смещены па расстояние, равное стороне шестиугольника.

Рис.2.3. Структура графита.

Молекула фуллерена может рассматриваться как результат сворачивания графитовой плоскости в сфероид. При этом, как следует из теоремы Эйлера, из плоскости, выполненной правильными шестиугольниками, не может быть получена замкнутая сфероидальная структура. Для этого часть шести­угольников (12) должны быть заменены пятиугольниками. Так. в структуре С№. которая представляет собой наиболее симметричную замкнутую углеродную конфигурацию фул­лерена. имеется 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. При этом каждый из пятиугольников граничит только с шес­тиугольниками, в то время как каждый шестиугольник име­ет общие границы с тремя пятиугольниками и тремя шестиу­гольниками, которые располагаются поочередно вокруг шестиугольника. Таким образом, каждый из атомов углеро­да, составляющих молекулу фуллерена С60. располагается в вершинах двух смежных шестиугольников и одного пятиу­гольника и тем самым оказывается в одном и том же химическом состоянии. Это подтверждается, в частности, результатами анализа спектров 13С ядерного магнитного ре­зонанса (ЯМР) молекулы С60, которые содержат лишь един­ственную линию.

Расстояние между атомами углерода в молекулах фуллеренов близко к соответствующему значению (0.142 нм), ха­рактеризующему графитовый слои. Однако наличие пятиу­гольников, граничащих с шестиугольниками, приводит к не­которому искажению идеализированной структуры фуллеренов. При этом следует различать два типа связей, одна из которых (двойная) является обшей стороной двух шестиу­гольников, а другая (одинарная) является общей стороной пятиугольника и шестиугольника. Как следует из результа­тов экспериментов, длины указанных связей в молекуле фуллерена С60 составляют 0.139 и 0.144 нм, соответственно. В силу этого шестиугольники, составляющие структуру С60. несколько (в пределах 1-2%) отличаются от правильных. Это относится также и к другим фуллеренам. Значение ради­уса молекулы С60, установленное на основании рентгеноструктурного анализа, составляет 0.357 нм.

Структура второй по значимости молекулы фуллерена –С70 - получается из рассмотренной выше структуры С60 вве­дением пояса из 10 атомов углерода в экваториальную об­ласть сферы С60 и се последующим растяжением при сохра­нении расстояния между атомами углерода на прежнем уровне около 0.14 нм. Спектр 13С ЯМР этой молекулы со­держит пять пиков, что соответствует пяти различным хими­ческим состояниям атома углерода в молекуле. Данная структура, представленная на рис.2.4, содержит уже 8 раз­личных типов С-С связей, отличающихся своим месторас­положением и длиной.

Рис.2.4. Структура молекулы С70.

Характеристики этих связей, уста­новленные на основании результатов рентгеновского диф­ракционного анализа [2-4], приведены в табл. I.

Таблица 1.1. Характеристики различных С-С связей в молекуле С70 [2-4].

Номер связи	Число связей данного типа	Категория связи	Длина связи, нм
1	5	Шестиугольник-шестиугольник	0,141 ± 0,001
2	20	Шестиугольник-пятиугольник	0,139 ± 0,001
3	10	В пятиугольнике	0,147 ± 0,001
. 4	20	В пятиугольнике	0,146± 0,001
5	10	Пятиу гол ьн ик-пятиу гол ьн и к	0,137 ± 0,001
6	20	В пятиугольнике	0,147 ± 0,001
7	10	Пятиугольник-пятиугольник	0,137 ± 0,001
8	10	В пятиугольнике	0,146± 0,001

Как видно из таблицы, длины связей, составляющих пя­тиугольники, (связи типа 3, 4, 6 и 8) близки к 0,146 нм, в то время как длины связей, составляющих шестиугольники и соединяющих вершины пятиугольников, близки к 0,137 нм. Аналогичная тенденция наблюдается также в случае С60. Так, связь типа 1, не искаженная близостью пятиугольников, аналогична С-С связи в слое графита. Длина этой связи (0,141 ± 0,001 нм) практически не отличается от соответству­ющего значения для графита (0,142 нм). Связь типа 2, соеди­няющая вершины пятиугольника и шестиугольника в эква­ториальной области С70, имеет длину 0,139 ± 0,001 нм, про­межуточную между длинами связей, соединяющих два пя­тиугольника и два шестиугольника, соответственно. Полная высота молекулы С70, определяемая как расстояние между пятиугольными гранями, расположенными в двух взаимно противоположных полярных областях, составляет 0,78 ± 0,001 нм. Диаметр экваториальной окружности/про­ходящей через центры атомов углерода, составляет 0,694 ± 0,002 нм. Таким образом, молекула С70 представляет по своей структуре слабо вытянутый эллипсоид вращения.