Реферат по дисциплине: «Химия» на тему: «Многоликий углерод» (стр. 5 )

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.

5.4 Нанотрубки

Близкие им по структуре углеродные соединения – нанотрубки – получили значительно большее развитие. Они представляют собой полые волокна диаметром 2,5-30 нм, длиной 2-5 мкм. Нанотрубки получают выращиванием из паров углерода, получаемых из графитовых электродов в электрической дуге или путем облучения пучком электронов. Наиболее приемлемым является пиролиз органических соединений. Этот способ уже реализован в промышленном масштабе: в 2001 году произведено 120 тонн нанотрубок. Нанотрубки обладают необычайно высокими механическими свойствами. Их удается определить не обычной деформацией растяжения (это невозможно из-за малых размеров), а по амплитуде отклонения, характеру изгиба и изгибающей силе как функции смещения с применением атомно-силового микроскопа. Модуль упругости по этим данным равен 1280 ГПа, тогда как теоретический модуль графита равен 1060 ГПа. Прочность на сжатие составляет 100-150 ГПа. В базовых плоскостях графита, из которых также построены также нанотрубки, углерод - углеродные связи являются наиболее сильными из всех химических связей, но слабые межплоскостные (ванн – дер – ваальсовы) связи приводят к тому, что плоскости легко скользят друг относительно друга, и обычный графит низко ценится как конструкционный материал. Нанотрубки уже нашли применение для армирования высокотехнологичных композитов, специальных бумаг, изготовления дисплеев и проходят испытания для возможных других целей.

Главная особенность нанотрубок заключается в том, что они имеют каркасную форму, напоминающую замкнутую полую оболочку. В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров—вплоть  до миллиметра. Визуально структуру таких нанотрубок можно представить следующим образом: это графитовая плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр. Очевидно, что от того, каким образом из графитовой плоскости вырезается полоска, будет зависеть степень скрученности нанотрубки.

Нанотрубки оказались на редкость прочным материалом как на растяжение, так и на изгиб. Как показывают результаты экспериментов, модуль Юнга нанотрубки достигает величин в несколько ТПа, что на порядок больше, чем у стали. И если в будущем удастся выращивать нанотрубки неограниченной длины, то такой «трос» толщиной меньше человеческого волоса, состоящий из нескольких нанотрубок, способен будет выдерживать груз массой сотни килограмм. Благодаря своим уникальным свойствам нанотрубки находят все большее применение в микроэлектронике. К примеру, изогнутая нанотрубка по свойствам проводимости адекватна диоду.

Другое, не менее интересное применение нанотрубок — это создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка. Полевые транзисторы являются фундаментом современной микроэлектроники, и вполне возможно, что в скором будущем процессоры будут формироваться из миллиардов мельчайших транзисторов на основе нанотрубок

6. Графен

6.1 Открытие графена

Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Его теоретическое исследование началось задолго до получения реальных образцов материала, поскольку из графена можно собрать трёхмерный кристалл графита. Графен является базой для построения теории этого кристалла.

Вновь интерес к графену появился после открытия углеродных нанотрубок, поскольку вся первоначальная теория графена строилась на простой модели развёртки цилиндра нанотрубки. Поэтому теория для графена в приложении к нанотрубкам хорошо проработана.

Попытки получения графена, прикреплённого к другому материалу, начались с экспериментов, использующих простой карандаш, и продолжились с использованиематомно-силового микроскопа для механического удаления слоёв графита, но не достигли успеха.

В 2004 году русскими учёными Андреем Геймом и Константином Новоселовым была опубликована работа в журнале Science, где сообщалось о получении графена на подложке окислённого кремния. Таким образом, стабилизация двумерной плёнки достигалась благодаря наличию связи с тонким слоем диэлектрика SiO2 по аналогии с тонкими плёнками, выращенными с помощью МПЭ.

Метод отшелушивания является довольно простым и гибким, поскольку позволяет работать со всеми слоистыми кристаллами, то есть теми материалами, которые представляются как слабосвязанные (по сравнению с силами в плоскости) слои двумерных кристаллов. В последующей работе авторы показали, что его можно использовать для получения других двумерных кристаллов: BN, MoS2, NbSe2, Bi2Sr2 , CaCu2Ox.

В 2010г выпускники МФТИ Гейм и Новоселов, работающие в Манчестере, получили премию "за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена".

В 2011 году ученые из Национальной радиоастрономической обсерватории объявили, что им, вероятно, удалось зарегистрировать графен в космическом пространстве (планетарные туманности в Магеллановых облаках).

5.2 Свойства графена

Графен представляет собой слой атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Это, по сути, пленка углерода толщиной в один атом, имеющая строго упорядоченную кристаллическую структуру. Графен можно считать развернутой в плоскость одностенной нанотрубкой или двумерным фуллереном, или же отдельно взятым атомарным слоем из множества таких слоев, составляющих монокристалл пиролитического графита.

Слой графита толщиной в один атом обладает рядом ценных свойств: отличается высокой стабильностью, в т. ч. и при комнатной температуре, а также высокой тепло - и электропроводностью. Подвижность электронов в графене в 10—20 раз выше, чем в арсениде галлия. Из этого материала можно создавать чипы, пригодные для работы на терагерцовых частотах. Хотя монослои графита обладают такой же подвижностью носителей зарядов при комнатной температуре, как и нанотрубки, однако для него, в общем случае, применима обычная, отработанная годами планарная технология. К тому же, благодаря двумерной структуре управляющий ток может быть легко увеличен за счет изменения ширины проводящего канала.

Другое интересное свойство графена, которое заключается в том, что определяющую роль в формировании свойств графена играет материал, на котором он выращивается. В частности, если подложку, на которой будет выращена структура, активировать кислородом, то полученный лист графена будет обладать свойствами полупроводника, если водородом – то свойствами металла. «Варьируя химический состав подложки, мы можем управлять природой графена, наделяя его свойствами полупроводника или металла», — сообщил Сарож Наяк (Saroj Nayak), профессор кафедры физики и астрономии Ренсселарского политехнического института.

5.3 Применение графена

Так как графен был открыт совсем недавно, то его применения только исследуются.

Сотни применений этого материала предложены уже сегодня, и каждую неделю появляется информация о новых возможностях графена.

Используя графен можно изготавливать микрочипы с плотностью более 10 миллиардов полевых транзисторов на квадратный сантиметр, квантовые компьютеры, датчики размером несколько нанометров – это только в электронике. А еще аккумуляторные батареи фантастической емкости, фильтры для воды, которые задерживают любые примеси и многое другое.

Особые свойства графена позволяют не только эффективно отводить тепло, но и преобразовывать его обратно в электрическую энергию. Учитывая, что графеновая решетка (плоскость) имеет толщину в один атомный слой, несложно предсказать, что плотность элементом на чипе резко возрастет и может достигнуть 10 миллиардов транзистором на квадратный сантиметр. Уже сегодня реализованы графеновые транзисторы и микросхемы, смесители частоты, модуляторы, работающие на частотах выше 10 ГГц.

Не менее оптимистично относятся разработчики и к применению углеродных нанотрубок в микроэлектронике. На их основе уже реализованы транзисторные структуры, а недавно специалисты IBM продемонстрировали микросхему, на которой было сформировано 10 тысяч нанотрубок.

Графеновый аккумулятор позволяет автомобилю без подзарядки преодолевать 1000 км очень обнадеживает всех ценителей экологического транспорта.

Графеновый поролон может стать самым теплопроводимым материалом в мире, утверждает ведущий производитель полиуретановой пены, компания Мурсия, которая включила этот материал в ассортимент своей продукции. Графеновый поролон имеет высокую теплопроводимость и уменьшает образование клещей и бактерий внутри эластичного пенополиуретана. Он может служить как прекрасный утеплитель в стенах, так и в мягкой мебели и салоне автомобиля.

Исследователи из института медицинских наук Amrita и научно-исследовательского центра в Индии показали, что оксид графена способен восстанавливать костную ткань. Они обнаружили, что графеновые чешуйки оксида ускоряют размножение стволовых клеток и регенерацию клеток костной ткани.

Ученые выявили, что при помощи оксида графена можно уничтожить раковые стволовые клетки, в то же время, никак не влияя на здоровые клетки. Если включить лечение оксидом графена в комплексное лечение при раковых опухолях, то разрастание опухоли прекратиться, а также графен поможет предотвратить метастазирование и повторное развитие опухоли в будущем. Такие заключения сделали специалисты после изучения свойств углеродного материала.

Специалисты предполагают, что их работа все же достигнет стадии клинических испытаний, и оксид графена можно будет применять для лечения раковых опухолей.

Оксид графена быстро удаляет радиоактивные вещества из загрязненной воды, утверждают исследователи из МГУ им. Ломоносова и американского Университета Райса. Микроскопические, толщиной в атом хлопья этого материала быстро связываются с естественными и искусственными радиоизотопами и конденсируют их, превращая в твердые вещества. Сами хлопья растворимы в жидкости, и их легко производить в промышленных масштабах.

Для нейрохирургов графен также предлагает значительно более эффективные и оптимизированные процедуры и приспособления. В первую очередь это касается инструментов для операций на спинном мозге. Системы электрофизиологического мониторинга сделают любые операции более точными, менее травматичными, вследствие чего можно ожидать успеха в оперативном лечении эпилепсии и двигательных расстройств

Заключение

Изучив две природные модификации углерода: алмаз и графит, а также искусственно полученные: фуллерен, графен, карбин, я пришла к выводу о том, что, несмотря на одинаковый химический состав, полиморфы имеют разное строение кристаллической решетки, а следовательно и разные свойства и происхождение.

Алмаз — бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество с исключительной твердостью – 10 и алмазным блеском. Графит — серо-черное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь, по твердости уступает даже бумаге - 1.

Алмазы в природе встречаются в виде хорошо выраженных отдельных кристаллов. Кристаллы графита — это, как правило, тонкие пластинки.

Происхождение алмазов магматическое, графита – метаморфическое.

Алмазы используются практически во всех отраслях промышленности: электротехническая, радиоэлектронная, приборостроительная, при буровых работах.

Графит же используют для производства графито-керамических плавильных тиглей и огнеупоров, в качестве смазок, производство карандашей,

До настоящего времени применение и практическое значение фуллерена и графена до конца не изучено. Так планируется их использовать в медицине и фармакологии; в качестве присадок для ракетных топлив и смазочного материала; для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, а также в качестве красителей для копировальных машин.

Нанотрубки нашли применение для армирования высокотехнологичных композитов, специальных бумаг, изготовления дисплеев и проходят испытания для возможных других целей.

К сожалению, в школьных учебниках химии подробно рассмотрены только две аллотропные формы: алмаз и графит. Об фуллеренах и карбине небольшое упоминание о строении и свойствах. Несмотря на то, что именно эти аллотропные формы развиваются и за ними будущее.

Информацию о графене можно получить только из Интернет.

Список используемой литературы

1. Бердоносов . 9 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений /, . – 3-е изд. перераб. – М.: Просвещение, 2013 – 239с.

2. Диогенов открытия химических элементов /. – Москва, 1960г.

3. анимательная химия. Нескучный учебник. / В. Малышкина - Санкт-Петербург, «Тригон», 2001 год.

4. Оржековский : 9-й класс: учеб. для общеобраз. учрежд. / , , . – М.: АСТ: Астрель, 2011.

5. Рудзитис, . Неорганическая химия. Органическая химия 9 класс: учеб. для общеобразоват. Учреждений/ , . – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012. – 191 с.

6. Энциклопедия для детей «Аванта +» «Химия», М.: «Аванта +», 2001 год

7. CD: «Химия–9 («Просвещение»)», мультимедийное учебное пособие нового образца.

Статьи из Интернет

1. Нина Пржиялговская «Фуллерены – сенсационное научное открытие хх века»

2. «Графен: свойства, получение, перспективы применения в нанотехнологиях и нанокомпозитах» (http://cyberleninka. ru/article/n/grafen-svoystva-poluchenie-perspektivy-primeneniya-v-nanotehnologii-i-nanokompozitah)

3. «Применение и перспективы исследования графена и наноматериалов на его основе в медицине» (http://nauchforum. ru/node/4143)

4. «Карбин – третья аллотропная Модификация углерода: Открытие и свойства» (http://him.1september. ru/article. php? ID=200701301)

5. Википедия