Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Přednáška 8 Uhlíkaté NM.  Fullereny  Nanotrubičky  Grafen  Aerogely.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Přednáška 8 Uhlíkaté NM.  Fullereny  Nanotrubičky  Grafen  Aerogely."— Transkript prezentace:

1 Přednáška 8 Uhlíkaté NM

2  Fullereny  Nanotrubičky  Grafen  Aerogely

3

4  1985 Harold W. Kroto ◦ Výskyt ve vesmíru  R. F. Curl, R. E. Smalley ◦ Syntéza  Nejčastěji C 60  1996 – Nobelova cena

5  První exprimenty pro přípravu ◦ Laserové odpařování grafitu ◦ Klastry uhlíku ◦ Unášení heliem ◦ Prudké ochlazení ◦ Analýza na MS ◦ Klastry C 60 a C 70

6  1990 Arizonská univerzita ◦ Technologie přípravy v makroskopickém množství  1991Bellovy laboratoře ◦ Supravodivost ◦ Do poměrně vysoké teploty ◦ Teoreticky předpovězeny nanotrubičky

7  Výskyt v přírodě ◦ Saze ◦ Uhelné vrstvy ◦ Fulgurity ◦ Meteority ◦ Plamen svíčky – žlutá část  Laboratorní příprava ◦ C60 ◦ Vysoké výtěžky (50 %) ◦ Obloukový výboj (C elektrody) ◦ Lze objednat

8  20 a více atomů uhlíku  Mnohostěny „kulovitého“ tvaru  Nejstabilnější C60 ◦ Průměr 1 nm ◦ Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům

9  Pro uzavřené těleso – 12 pětiúhelníků  Počet šestiúhelníků neomezený  C20 – dvanástistěn  Každý další sudý počet atomů C ◦ S vyjímkou C22  ?Fulleren = C60?  C60 nejstabilnější

10  Nejsymetričtější  Všechny uhlíky rovnocenné postavení ◦ Rozprostření napětí ◦ Vysoká stabilita  Komolý ikosaedr

11  C70 ◦ Nejbližší C60 ◦ Přidání 5-ti hexagonů ◦ Protažení v jedné z os (Z) ◦ Polyedr podobný ragbyovému míči

12  Fullereny v řadě ◦ C60 ◦ C70 ◦ C76 ◦ C78 ◦ C80 ◦ C82 ◦ V84  Četnost výskytu nad C70 rapidně klesá  Další fullereny ◦ C240, C330 ◦ https://www.ccs.uky.edu/~madhu/Giant_Fullerene. html

13  Materiály na bázi fullerenů  Velká tvrdost a odolnost ◦ Využití pro brusné hlavice  Krystalové struktury  Studium XRD, NMR, STM

14  Vyšší fullereny – složitější struktury  Varianty materiálů ◦ Teplota ◦ Tlak – redukce vzdálenosti ◦ Kombinace  C60 ◦ Krychlová symetrie ◦ Volná rotace ◦ Nízké teploty (pod -100°C) – kmity ◦ Možnost vložení cizích atomů

15  Typy ◦ S přímým propojením fullerenových molekul ◦ Bez přímého propojení fullerenových molekul

16  Dělení ◦ S heretoatomy ◦ Bez heteroatomů  Plně uhlíkaté dimery ◦ Syntéza vyšších fullerenů ◦ Nanotubulární forma uhlíku ◦ Fullerenové polymery

17  Syntéza (C60) 2 ◦ Mechanicko-chemická reakce ◦ Katalýza KCN ◦ Vysokorychlostní vibrační mletí  Heterogenní dimery ◦ Bez přímého propojení ◦ Např. C 120 O  Syntéza dalších sloučenin  Degradace C60 na světle a vzduchu

18  Dopované fullereny a fullerity ◦ Interkalace  Kovy  Anorganické sloučeniny  Organické sloučeniny  Interkalační sloučeniny  Fullerit C60 ◦ 1 oktaedrický intersticiální prostor ◦ 2 tetraedrické intersticiální prostory

19  MexC60  Me ◦ K, Rb, Cs, La ad.  Metallofullereny  Typy fulleridů ◦ Endoedrické – uvnitř molekuly ◦ Substituční – součást molekuly ◦ Exoedrické – fulleritové struktury ◦ S otevřenou sférou

20  Laserová ablace grafitového terčíku v He atmosféře ◦ Kondenzace klastrů v proudu He ◦ Expanze do vakua ◦ Malá množství

21  Makroměřítko ◦ Odporové zahřívání uhlíkaté elektrody ◦ He atmosféra ◦ Uhlíkaté plasma ◦ ochlazení proudem He ◦ Nanosaze – 10 % fullerenů ◦ Následná extrakce  C60/C70 85/15 ◦ Různá omezení – nevhodné pro průmysl

22  Makroměřítko ◦ Nemožnost syntéze kontinuálně ◦ Separace představuje 85% nákladů ◦ Cena ,- bez DPH/5g (Sigma-Aldrich)  Separace ◦ Extrakce s použitím organických rozpouštědel ◦ Rozpouštěcí metoda  Toluen  Fullereny přejdou do roztoku  Opakování

23  Separace ◦ Sublimační metoda  Saze s fullereny zahřívány (křemenná trubice)  He atmosféra  Fullereny sublimují  I extrakty mohou obsahovat nečistoty  Další čištění ◦ Kapalinová chromatografie ◦ Speciální kolony

24  Nový postup ◦ Spalování organického materiálu  Vznik fullerenů  Vedlejší produkt – aromatické polykondenzované systémy  Možnost vyrábět větší množství fullerenů

25  Pevnější a lehčí materiály  Počítačová technika  Filtry a sorbenty  Mazadla  Katalyzátory  Supravodiče  Patenty ◦ Optika, supravodivost, mikroelektronika, chemie, kosmetika, medicína, metalurgie ad.

26  Medicína a farmacie ◦ Nosiče léků ◦ Kontrastní látky ◦ Minimalizace vedlejších účinků ◦ Interakce s enzymy, proteiny a DNA  Fullerenová chemie ◦ Syntéza derivátů ◦ Rozpouštědla ◦ Katalyzátory ◦ Odolné nátěry ◦ Fullereny interkalované organikou - paramagnetické

27  Supravodiče ◦ Příměs draslíku ◦ Interkalace chloroformu a bromoformu ◦ -156,16°C ◦ Použití dusíku místo helia  Polymerové řetězce ◦ Velmi pevné

28

29  1991 S. Iijima  Podobný způsob přípravy jako fullereny  Velmi dlouhé (mikrony)  Průměr několik nm  Čistě uhlíkaté  Čestičlenné kruhy  Různé typy ◦ Duté, plné, vícevrstvé…

30  Vznik svinutím grafenové vrstvy do válce  Struktura závisí na směru sbalení  Jednovrstvý nanotubulární uhlík (SWNT)

31  Většinou uzavřené konce  Konce podobné fullerenům

32  Základní strukturní dělení ◦ Jednovrstvé struktury (SWNT) ◦ Vícevrstvé struktury (MWNT)  Několik grafenových vrstev  Defekty vnějších vrstev  Vnitřní průměry 1 – 3 nm  Délka jednotek mikronů

33  Z chemického hlediska nereaktivní  Modifkací možno dosáhnout rozpustnosti v organických rozpouštědlech ◦ Částečná oxidace koncových částí  Koncentrovaná kyselina dusičná  Ultrazvuk ◦ Obtočení polymery  Modifikace „naplněním“ vnitřních prostorů ◦ Nanovodiče, nandrátky

34 3 základní postupy  Syntéza v elektrickém oblouku (discharge method)  Rozklad plynných uhlovodíků ◦ Katalýza na částicích kovů ◦ Metoda katalytické chemické depozice par (CCVD)  Laserová ablace

35  Vedlejší produkty ◦ Amorfní saze ◦ Fullereny ◦ Částice katalyzátorů (Fe, Ni, Co, B, Ga)  Nutná separace ◦ MWNT – rozdružování v polárních kapalinách se surfaktantem  Ultracentrifugace  Mikrofiltrace

36  Jedinečná elektronová struktura  Dobré mechanické vlastnosti  Umožňují výzkum fyzikálních jevů na atomární úrovni  Vykazují katalytické a supravodivé vlastnosti  Vysoká pevnost a pružnost  Vodivé pro elektrický proud (SWNT)  Úprava na polovodiče

37  Molekulová nanotechnologie ◦ Nanomechanismy ◦ NEMS  50 – 100x vyšší pevnost než ocel  Výborná tepelná vodivost  Zobrazovače s vysokým rozlišením (Motorola NED – nano emissive display)

38  Využití v AFM ◦ Kulovité částice ◦ Kolmá rozhraní ◦ Růst přímo na povrchu hrotu ◦ Katalýza Fe (MWNT) nebo FeO x (SWNT) ◦ CVD  Ultracitlivé senzory  Bioaplikace  Toxicita?

39

40  Jedna nebo několik málo grafitických vrstev  Pravidelné planární šestičlenné uspořádání  A. Geim, K. Novoselov (2010) – Nobelova cena za fyziku

41  Průhledný  Dobrá elektrická vodivost  Struktura ◦ Elektrony se mohou volně pohybovat bez srážek ◦ Pohyb elektronů téměř rychlostí světla ◦ Studium zákonů kvantové fyziky  Extrémní pevnost

42  CVD metoda  Chemicko-mechanická dekompozice grafitu ◦ Oxidace grafitu (KMnO 4 + H 2 SO 4 ) ◦ Oddělení vrstev v ultrazvuku ◦ Zpětná redukce  Metoda Lepící pásky

43  Elektronické obvody pro velmi vysoké frekvence  Nové typy zobrazovacích zařízení  Solární články  Detektory  Nejpevnější připravený materiál (200x pevnější než ocel)

44

45  Přechodná oblast ◦ Organické ◦ Uhlíkaté ◦ Anorganické  Si, Ti, Al  Podstatnou část tvoří vzduch  Velmi nízká hustota  Vysoká pevnost  Zmatení pojmů – Aerogel/Xerogel

46  1931 (S. Kistler) – gel na bázi SiO 2 ◦ Superkritické sušení  Příprava metodou Sol-gel  Póry struktury vyplněny rozpouštědlem

47  Typy sušení ◦ Superkritické sušení – rozpouštědlo (nejčastěji organické) je přivedeno do superkritického stavu ◦ Superkritické sušení s CO 2 – vyvinuto biology (EM), CO 2 má nízkou kritickou teplotu a tlak ◦ Mrazové sušení – lyofilizace, kapalina v pórech je zmrazena a následně odsublimována za vakua ◦ Sušení za normálních podmínek  Nutnost při sušení odstranit rozpouštědlo, ale zachovat strukturu

48  Anorganické ◦ Prekurzory anorganické – sloučeniny křemíku, hliníku ad.  Organicko-anorganické ◦ Směsné prekurzory  Organické ◦ Organické prekurzory – resorcinol+formaldehyd, resorcinol+furfural ad.  Uhlíkaté ◦ Pyrolýza organických aerogelů

49  Vysoká porozita  Velký měrný povrch  Nízká hustota  Lehké a zároveň pevné  Malá tepelná vodivost  Katalyzátory a jejich nosiče  Sorbenty  polovodiče

50 Pro dnešek vše


Stáhnout ppt "Přednáška 8 Uhlíkaté NM.  Fullereny  Nanotrubičky  Grafen  Aerogely."

Podobné prezentace


Reklamy Google