Небезопасный контент (18+)
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь для просмотра
Алмаз - Не самое твёрдое вещество !
Самое твердое вещество
Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым же твёрдым из распространённых веществ является алмаз. Кроме того, существует информация, что группе американских и китайских ученых удалось доказать, что специально обработанный лонсдейлит на 58% тверже алмаза.
Лонсдейлит представляет собой одну из аллотропных модификаций углерода. Структура его кристаллической решетки напоминает структуру решетки алмаза. За это данный материал получил второе имя - гексагональный алмаз. Отличие заключается в том, что элементарная ячейка лонсдейлита содержит четыре атома, а ячейка алмаза - восемь. Однако, по словам исследователей, маловероятно, что новый материал найдет практическое применение, потому рассматривать его теоретические свойства на данный момент не имеет никакого смысла.
Фуллери́т — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.
Алма́з — минерал, одна из аллотропных форм углерода.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела.
ФУЛЛЕРИТ - НОВАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА
И. В. ЗОЛОТУХИН, Воронежский технический университет
ВВЕДЕНИЕ
В 1990 году среди физиков и химиков возник бум исследовательских работ, вызванный сообщением о получении нового вещества - фуллерита, состоящего из молекул углерода - фуллеренов. Структура фуллерита, его свойства, методы получения - все эти вопросы оказались в фокусе внимания исследователей. Открылись богатейшие возможности для создания на основе нового вещества различного рода соединений и структур с необычными физико-химическими свойствами.
Фуллерит является аллотропной модификацией углерода. Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению его структуры, свойств и возможных областей применения, вспомним ближайших "родственников" нового вещества - графит и алмаз.
Одной из кристаллических модификаций углерода является графит. Этот чудесный материал находит широчайшее применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности - от изготовления карандашных грифелей до блоков замедления нейтронов в ядерных реакторах.
Расположение атомов углерода в кристаллической структуре графита весьма необычно. Отдельные атомы, соединяясь между собой, формируют шестиугольные кольца, образующие сетку, похожую на пчелиные соты [1]. Множество таких сеток располагаются друг над другом слоями. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, равно 0,142 нм. Соседние атомы внутри каждого слоя связаны весьма прочными ковалентными связями, поэтому слой атомов, образующих гексагональную сетку, достаточно прочен и стабилен. А вот слои в графите находятся на довольно почтительном расстоянии друг от друга: оно равно 0,335 нм, что более чем в два раза превышает расстояние между углеродными атомами в гексагональной сетке. Большое расстояние между слоями определяет слабость сил, связывающих слои. Такая структура - прочные слои, слабо связанные между собой - определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.
Другой кристаллической модификацией углерода является алмаз - вещество совершенно уникальное. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями. Такая структура определяет свойства алмаза - самого твердого вещества, известного на Земле.
Изучение этих двух форм чистого углерода имеет давнюю историю. В разное время выдающиеся химики и материаловеды открыли и другие формы углерода, такие, как аморфный углерод, карбин, белый углерод и т. д. Однако все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза. До последнего времени считалось, что существуют только два способа расположения атомов углерода в пространстве, позволяющих получить кристаллическую форму углерода. Такое положение следует считать весьма удивительным. В самом деле, в настоящее время известно свыше миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучение составляет предмет огромного раздела науки - органической химии. В то же время исследования в области химии чистого углерода начались сравнительно недавно. В последние 10 лет фундаментальные исследования ознаменовались выдающимися успехами в получении принципиально новой третьей формы чистого углерода, о которой пойдет речь ниже.
ФУЛЛЕРЕНЫ - МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА
Новая форма углерода является новой по существу [2]. В противоположность первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода. Да какая молекула! Оказывается, молекулы чистого углерода представляют собой замкнутую поверхность, имеющую форму сферы или сфероида. Такие молекулы назвали фуллеренами в честь американского изобретателя и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего в 1954 году патент на строительные конструкции в виде шестиугольников и пятиугольников, составляющих полусферу или полусфероид, которые можно использовать в качестве крыш больших зданий (цирки, выставочные павильоны и др.).
Большой интерес к молекулярному углероду возник в 1985 году, когда была открыта 60-атомная молекула C60 . Кроме того, были обнаружены молекулы C70 , C76 , C84 и т. д. Все они имеют форму замкнутой поверхности, на которой располагаются атомы углерода.
Основным элементом структуры фуллеренов является шестиугольник, в вершинах которого расположены атомы углерода. Как мы видели ранее, подобные шестиугольники также характерны для структуры графита. Исходя из этого, логично предположить, что графит должен использоваться как исходное сырье для синтеза фуллеренов. Так и происходит на самом деле. В настоящее время твердо установлено, что наиболее эффективным способом получения фуллеренов является термическое разложение слоистой структуры графита на малые фрагменты, из которых затем происходит формирование C60 и других замкнутых молекул углерода.
Если считать, что молекула C60 составлена только из шестиугольных фрагментов графита, то ее радиус должен быть равен 0,37 нм. На самом же деле точное значение радиуса C60 , установленное рентгеноструктурным анализом, составляет 0,357 нм. Эта величина всего на 2% отличается от рассчитанной. Различие в радиусах связано с тем, что атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников, унаследованных от графита, и 12 правильных пятиугольников, возникших в процессе формирования C60 . Можно показать, что из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть выложена поверхность замкнутая: часть шестиугольных колец необходимо разрезать, чтобы из разрезанных частей сформировались пятиугольники. Точно таким же образом шьется футбольный мяч. Его покрышка также состоит (и в этом легко убедиться) из пяти- и шестиугольных лоскутков кожи, образующих сферическую поверхность.
Таким образом, структурные элементы фуллеренов подобны структурным элементам графита. Плоская сетка шестиугольников (в случае графита) свернута и сшита в замкнутую сферу или сфероид. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники.
ПОЛУЧЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ И ФУЛЛЕРИТА
Установка для получения фуллеренов путем термического испарения графита. Этот способ был разработан в 1990 году [3]. В качестве сырья используют цилиндрические стержни спектрально чистого графита, имеющие диаметр от 1 до 6 мм. Заточенные концы стержней соединяют, и через них пропускают ток 150 - 200 А. Можно использовать как постоянный, так и переменный ток. При пропускании тока в месте контакта возникает электрическая дуга и начинается испарение графита. Нагрев должен быть умеренным, чтобы от стержней отделялись не отдельные атомы углерода, а целые фрагменты слоев графита, состоящие из углеродных шестиугольников. Испаренный графит осаждается на стенках камеры в виде сажи.
Описанный процесс осуществляется в камере, в которой предварительно создается вакуум порядка 10- 6 Торр. Затем камеру заполняют газом гелием. Считается, что атомы гелия способны эффективно отнимать избыточную энергию у фрагментов графита, покинувших зону электрической дуги. Кроме того, гелий уносит энергию, выделяющуюся при объединении фрагментов в молекулы фуллеренов. Оптимальное давление гелия в камере при испарении графита находится в пределах 50 - 100 Торр. Шестиугольные фрагменты графита, охлажденные в газообразном гелии, служат "кирпичиками" для построения молекул C60 и C70 .
Чтобы выделить чистые фуллерены, осевшую на стенках испарительной камеры сажу растворяют в метилбензоле (толуоле). При этом фуллерены переходят в раствор, а непрореагировавшие фрагменты графита выпадают в осадок. Отделение осадка может быть произведено одним из трех путей: фильтрацией, вращением раствора в центрифуге, экстракцией при помощи прибора Сокслета. В результате получают жидкость цвета красного вина, которая затем помещается в испаритель. Толуол испаряется, а фуллерены выпадают на дно и стенки сосуда в виде черной пудры, масса которой составляет около 10% от массы исходной графитовой сажи. В состав пудры входят молекулы C60 и C70 в соотношении 85 : 15. Для разделения этих фуллеренов используется жидкостная колоночная хроматография, требующая большого количества растворителей. Цвет чистого C60 в растворе - красный анилиновый, тогда как цвет раствора C70 - оранжевый.
При выпаривании раствора чистого C60 образуется новое кристаллическое вещество, которое получило название "фуллерит". Впервые твердый фуллерит наблюдали Кречмер и Хуффман в мае 1990 года в одной из лабораторий Института ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия). Фуллерит является третьей формой
Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Самым же твёрдым из распространённых веществ является алмаз. Кроме того, существует информация, что группе американских и китайских ученых удалось доказать, что специально обработанный лонсдейлит на 58% тверже алмаза.
Лонсдейлит представляет собой одну из аллотропных модификаций углерода. Структура его кристаллической решетки напоминает структуру решетки алмаза. За это данный материал получил второе имя - гексагональный алмаз. Отличие заключается в том, что элементарная ячейка лонсдейлита содержит четыре атома, а ячейка алмаза - восемь. Однако, по словам исследователей, маловероятно, что новый материал найдет практическое применение, потому рассматривать его теоретические свойства на данный момент не имеет никакого смысла.
Фуллери́т — это молекулярный кристалл, в узлах решётки которого находятся молекулы фуллерена.
Алма́з — минерал, одна из аллотропных форм углерода.
Твёрдость — свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела.
ФУЛЛЕРИТ - НОВАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА
И. В. ЗОЛОТУХИН, Воронежский технический университет
ВВЕДЕНИЕ
В 1990 году среди физиков и химиков возник бум исследовательских работ, вызванный сообщением о получении нового вещества - фуллерита, состоящего из молекул углерода - фуллеренов. Структура фуллерита, его свойства, методы получения - все эти вопросы оказались в фокусе внимания исследователей. Открылись богатейшие возможности для создания на основе нового вещества различного рода соединений и структур с необычными физико-химическими свойствами.
Фуллерит является аллотропной модификацией углерода. Поэтому, прежде чем перейти к рассмотрению его структуры, свойств и возможных областей применения, вспомним ближайших "родственников" нового вещества - графит и алмаз.
Одной из кристаллических модификаций углерода является графит. Этот чудесный материал находит широчайшее применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности - от изготовления карандашных грифелей до блоков замедления нейтронов в ядерных реакторах.
Расположение атомов углерода в кристаллической структуре графита весьма необычно. Отдельные атомы, соединяясь между собой, формируют шестиугольные кольца, образующие сетку, похожую на пчелиные соты [1]. Множество таких сеток располагаются друг над другом слоями. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, равно 0,142 нм. Соседние атомы внутри каждого слоя связаны весьма прочными ковалентными связями, поэтому слой атомов, образующих гексагональную сетку, достаточно прочен и стабилен. А вот слои в графите находятся на довольно почтительном расстоянии друг от друга: оно равно 0,335 нм, что более чем в два раза превышает расстояние между углеродными атомами в гексагональной сетке. Большое расстояние между слоями определяет слабость сил, связывающих слои. Такая структура - прочные слои, слабо связанные между собой - определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.
Другой кристаллической модификацией углерода является алмаз - вещество совершенно уникальное. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями. Такая структура определяет свойства алмаза - самого твердого вещества, известного на Земле.
Изучение этих двух форм чистого углерода имеет давнюю историю. В разное время выдающиеся химики и материаловеды открыли и другие формы углерода, такие, как аморфный углерод, карбин, белый углерод и т. д. Однако все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза. До последнего времени считалось, что существуют только два способа расположения атомов углерода в пространстве, позволяющих получить кристаллическую форму углерода. Такое положение следует считать весьма удивительным. В самом деле, в настоящее время известно свыше миллиона соединений углерода с другими элементами. Их изучение составляет предмет огромного раздела науки - органической химии. В то же время исследования в области химии чистого углерода начались сравнительно недавно. В последние 10 лет фундаментальные исследования ознаменовались выдающимися успехами в получении принципиально новой третьей формы чистого углерода, о которой пойдет речь ниже.
ФУЛЛЕРЕНЫ - МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА
Новая форма углерода является новой по существу [2]. В противоположность первым двум, графиту и алмазу, структура которых представляет собой периодическую решетку атомов, третья форма чистого углерода является молекулярной. Это означает, что минимальным элементом ее структуры является не атом, а молекула углерода. Да какая молекула! Оказывается, молекулы чистого углерода представляют собой замкнутую поверхность, имеющую форму сферы или сфероида. Такие молекулы назвали фуллеренами в честь американского изобретателя и архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего в 1954 году патент на строительные конструкции в виде шестиугольников и пятиугольников, составляющих полусферу или полусфероид, которые можно использовать в качестве крыш больших зданий (цирки, выставочные павильоны и др.).
Большой интерес к молекулярному углероду возник в 1985 году, когда была открыта 60-атомная молекула C60 . Кроме того, были обнаружены молекулы C70 , C76 , C84 и т. д. Все они имеют форму замкнутой поверхности, на которой располагаются атомы углерода.
Основным элементом структуры фуллеренов является шестиугольник, в вершинах которого расположены атомы углерода. Как мы видели ранее, подобные шестиугольники также характерны для структуры графита. Исходя из этого, логично предположить, что графит должен использоваться как исходное сырье для синтеза фуллеренов. Так и происходит на самом деле. В настоящее время твердо установлено, что наиболее эффективным способом получения фуллеренов является термическое разложение слоистой структуры графита на малые фрагменты, из которых затем происходит формирование C60 и других замкнутых молекул углерода.
Если считать, что молекула C60 составлена только из шестиугольных фрагментов графита, то ее радиус должен быть равен 0,37 нм. На самом же деле точное значение радиуса C60 , установленное рентгеноструктурным анализом, составляет 0,357 нм. Эта величина всего на 2% отличается от рассчитанной. Различие в радиусах связано с тем, что атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников, унаследованных от графита, и 12 правильных пятиугольников, возникших в процессе формирования C60 . Можно показать, что из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть выложена поверхность замкнутая: часть шестиугольных колец необходимо разрезать, чтобы из разрезанных частей сформировались пятиугольники. Точно таким же образом шьется футбольный мяч. Его покрышка также состоит (и в этом легко убедиться) из пяти- и шестиугольных лоскутков кожи, образующих сферическую поверхность.
Таким образом, структурные элементы фуллеренов подобны структурным элементам графита. Плоская сетка шестиугольников (в случае графита) свернута и сшита в замкнутую сферу или сфероид. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники.
ПОЛУЧЕНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ И ФУЛЛЕРИТА
Установка для получения фуллеренов путем термического испарения графита. Этот способ был разработан в 1990 году [3]. В качестве сырья используют цилиндрические стержни спектрально чистого графита, имеющие диаметр от 1 до 6 мм. Заточенные концы стержней соединяют, и через них пропускают ток 150 - 200 А. Можно использовать как постоянный, так и переменный ток. При пропускании тока в месте контакта возникает электрическая дуга и начинается испарение графита. Нагрев должен быть умеренным, чтобы от стержней отделялись не отдельные атомы углерода, а целые фрагменты слоев графита, состоящие из углеродных шестиугольников. Испаренный графит осаждается на стенках камеры в виде сажи.
Описанный процесс осуществляется в камере, в которой предварительно создается вакуум порядка 10- 6 Торр. Затем камеру заполняют газом гелием. Считается, что атомы гелия способны эффективно отнимать избыточную энергию у фрагментов графита, покинувших зону электрической дуги. Кроме того, гелий уносит энергию, выделяющуюся при объединении фрагментов в молекулы фуллеренов. Оптимальное давление гелия в камере при испарении графита находится в пределах 50 - 100 Торр. Шестиугольные фрагменты графита, охлажденные в газообразном гелии, служат "кирпичиками" для построения молекул C60 и C70 .
Чтобы выделить чистые фуллерены, осевшую на стенках испарительной камеры сажу растворяют в метилбензоле (толуоле). При этом фуллерены переходят в раствор, а непрореагировавшие фрагменты графита выпадают в осадок. Отделение осадка может быть произведено одним из трех путей: фильтрацией, вращением раствора в центрифуге, экстракцией при помощи прибора Сокслета. В результате получают жидкость цвета красного вина, которая затем помещается в испаритель. Толуол испаряется, а фуллерены выпадают на дно и стенки сосуда в виде черной пудры, масса которой составляет около 10% от массы исходной графитовой сажи. В состав пудры входят молекулы C60 и C70 в соотношении 85 : 15. Для разделения этих фуллеренов используется жидкостная колоночная хроматография, требующая большого количества растворителей. Цвет чистого C60 в растворе - красный анилиновый, тогда как цвет раствора C70 - оранжевый.
При выпаривании раствора чистого C60 образуется новое кристаллическое вещество, которое получило название "фуллерит". Впервые твердый фуллерит наблюдали Кречмер и Хуффман в мае 1990 года в одной из лабораторий Института ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия). Фуллерит является третьей формой