Transcript Politechnika Lubelska

POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ ZARZĄDZANIA I PODSTAW
TECHNIKI
Katedra Podstaw Techniki
Prowadzący:
prof. dr hab. inż. Michał Paszeczko
Politechnika Lubelska
Temat: Fullereny – odmiana
alotropowa węgla
Politechnika Lubelska
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
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
Grafit
struktura sieciowa grafitu
wygląd grafitu
Politechnika Lubelska
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
Diament
struktura sieciowa diamentu
wygląd diamentu
Politechnika Lubelska
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
Sadza
Model struktury cząstki sadzy
Politechnika Lubelska
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
Rys.1. Struktura fullerenu C60 a) widok atomów z przedniej powierzchni,
b) widok wszystkich atomów
Politechnika Lubelska
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
Rys. 2. Fullereny a) C60 oraz giganty, b) C140, c) C240 , d) C260, e) C530, f) C960
Politechnika Lubelska
Rys.3. Struktura fullerenu a) C70 oraz b)÷d) C84
Politechnika Lubelska
Fullereny
Wykryto również obiekty fullerenowe o strukturze
cebulkowej, zwane hiperfullerenami, charakteryzujące
się tym, że wewnątrz fullerenu jest wbudowany inny
mniejszy.
Politechnika Lubelska
Rys. 4 Budowa hiperfullerenu a) widok wszystkich atomów, b) widok fullerenu
wewnętrznego, c) widok fullerenu zewnętrznego
Politechnika Lubelska
Otrzymywanie fullerenów
• Metoda laserowa
• Metoda elektrołukowa (Krätschmera i Huffmana)
• Ekstrakcja i rozdzielenie fulerenów
Politechnika Lubelska
Metoda laserowa
Politechnika Lubelska
Metoda elektrołukowa
Politechnika Lubelska
Podział fullerenów
Fulereny dzielimy na trzy rodzaje:

Fulereny endohedralne

Fullereny egzohedralne

Heterofullereny
Politechnika Lubelska
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.
Fulereny egzohedralne
To fulereny, do których przyłączyły się obce atomy od
„zewnątrz”, w których struktura klatki węglowej pozostaje
nie zmieniona.
Heterofullereny
To fulereny, w których nastąpiła częściowa lub całkowita
substytucja atomów węgla w strukturze klatkowej C60 przez
atomy innych pierwiastków najczęściej boru i azotu.
FULERYTY
Fulereny krystalizują w układzie regularnym ściennie
centrowanym, a ich odmiana krystaliczna została nazwana
fulerytem
Wybrane właściwości
gęstość
1,72 g/cm3
odległość między cząsteczkami 1,002 nm
w układzie A1
stała sieciowa
1,4198 nm
promień cząsteczki C60
0,357nm
moduł ściśliwości
18 GPa
moduł Younga
16 GPa
przewodnictwo elektryczne
izolator
Krystaliczna postać C60
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
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
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.
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.