Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Fullereny, nanotrubky. Fullereny: historie – objev 80. léta 19. století- H. Kroto, R.Smalley a B. Curl laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Fullereny, nanotrubky. Fullereny: historie – objev 80. léta 19. století- H. Kroto, R.Smalley a B. Curl laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové."— Transkript prezentace:

1 Fullereny, nanotrubky

2 Fullereny: historie – objev 80. léta 19. století- H. Kroto, R.Smalley a B. Curl laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové klastry se sudým počtem atomů (vyčnívají maxima odpovídající složení klastrů C 60 a C 70 ) nejintenzivnější signál m/e 720 odpovídal jediné molekule: uzavřené uhlíkové struktuře složené z pěti a šestiúhelníků podobné fotbalovému míči

3 architekt R. Buckminster Fuller (budova v Montrealu), molekula pojmenovaná „buckminsterfuller“

4 Fullereny = 3. alotropická modifikace uhlíku kondenzované polycyklické klecové struktury (sudý počtu uhlíkových atomů), poskládané přednostně z pěti a šestiúhelníků pravidlo o izolovaných pětiúhelnících (Isolated Pentagons Rule) = stabilní jsou takové fullereny, v nichž se nenachází 2 pětiúhelníky vedle sebe (předpoklad: minimum násobných vazeb v těchto pětiúhelnících)-splňuje C 60 Dovolené konfiguraceC 60 C 70 „BUCKYBALLS“

5  IUPAC:  C 60 = (C 60 -I h )[5,6]fulleren  C 70 = C 70 -D 5h(6) )[5,6]fulleren  1. číslo (C 60 )- obsah uhlíku  2. údaj (I h )- grupa symetrie  číslo v hranatých závorkách ([5,6])- velikosti kruhů ve fullerenu

6 1) odpařováním grafitu H. Kroto, ) původně z fullerenových sazí (elektrický oblouk mezi grafitovými elektrodami) saze: 10 % fullerenů (C 60, C 70 )-následná extrakce Krätschmer a Huffman, ) spalování organického materiálu (vedlejší produkt: aromatické polykondenzované systémy) opět nutné čištění, ale: větší měřítko výroby, kontinuální provádění procesu J. Howard, J. T. McKinnon, MIT, 1991 Výroba fullerenů

7 mechanismus vzniku komplikovaný při teplotách okolo 3000 K vznikají snadno lineární řetězce-polycyklické sloučeniny-fullerenové struktury čištění asi 85 % výrobních nákladů

8 Obrázek: Čištění surových fullerenových sazí

9 13 C NMR spektra

10 UV/VIS spektra J.P. Hare, H. W. Kroto, R. Taylor, Chem. Phys. Letters, 177, 4,5, 394–398

11 Chemie fullerenů: deriváty

12 Chemie fullerenů: vlastnosti rezonančních struktur nejnižší energii má struktura, ve které jsou dvojné vazby mezi šestiúhelníky (6-6 vazby) a jednoduché vazby mezi šestiúhelníkem a pětiúhelníkem (6-5 vazby) 6-5 vazby (1,45 Ǻ); 6-6 (1,38 Ǻ) nenasycený polyen (nikoliv delokalizace, aromaticita!!!) uhlíky v C 60 – sp 2 hybridizace, uspořádání pyramidální, nikoliv planární-pnutí C 60 elektronegativní, lze snadno redukovat

13 Chemie fullerenů: redukce 1) elektrochemicky v roztoku (cyklická voltametrie) do C 60 6 – lze kroky izolovat-reverzibilní jednotlivé redukční potenciály téměř ekvidistantní (Δ ≈ 400mV) každá částice charakteristické UV/VIS s ESR vlstnosti 2) redukce elektropozitivním kovem (alk. kov, kovy alk. zemin) atomy kovu poté interkalovány v mřížce fullerenu vznik FULLERIDŮ (M x C 60 ) – některé vykazují supravodivost 3) redukce organickými elektrondonory vznik charge-transfer komplexů TDAE (tetrakis(dimethylamino)ethylen – vznik (TDAE)C 60 – ferromagn. chování, využití v elektronice

14 Chemie fullerenů: adiční reakce obzvláště nukleofilní a radikálová adice na 6-6 vazby cykloadice vznik η 2 komplexů s přechodnými kovy možné i elektrofilní adice (halogenace, hydrogenace…) hnací silou adicí = UVOLNĚNÍ VNITŘNÍHO PNUTÍ reakce obvykle exotermní regioselektivní - snaha o minimalizaci počtu 5-6 vazeb v C 60 preferovaná 1,2-adice na vazbu 6-6, čímž nevzniká žádná dvojná vazba v pětiúhelnících

15 příklad cyklopropanační reakce: příklad složitější struktury vzniklé cyklopropanací:

16 cykloadiční reakce: Diels-Alderova reacke endohedrální komplexy: obvykle monometalické bohaté zastoupení komplexy lanhanoidů 80, 82, Ln 82

17 Využití fullerenů uhlíkové povrchy – –výroba hard-disků vodivé polymery a polymery pro elektrotechniku – –solární panely – –transistory – –fotodetektory biofarmaceutika – –neuroprotektory (vůči Alzheimrově a Parkinsonově nemoci) – –inhibitory HIV proteasy kosmetika – –krémy proti stárnutí a další…

18 Nanotrubky objeveny a popsány v roce 1991 (carbon nanotubes) vyvolaly stejný rozruch jako fullereny makromolekuly uhlíku podobné grafitu stočené do válce velmi pevné Příprava: nejčastěji využitím oblouku garafitových elektrod (přítomnost katalyzátoru Fe, Co, Ni) laserová ablace uhlíkového povrchu v peci

19 Druhy: jednovrstvé nanotrubky (SWNT-Single Walled carbon NanoTubes) vícevrstvé nanotrubky (MWNT-Multiple Walled carbon NanoTubes)

20 SWNT: zahnutím grafitové plochy do prostorového útvaru (může/nemusí být uzavřený) pouze ze šestiúhelníků nelze vytvořit uzavřený útvar pro uzavření z obou stran-přítomnost 12 pětiúhelníků (jako u C 60 ), zakřivení plochy d = 1,2 – 1,4 nm, l = μm MWNT: vnitřní d = 1–3 nm, vnější d = 2–20 nm, l = μm zakřivení plochy přítomností pětiúhelníku

21 A,C) achirální B) chirální topologie ovlivňuje vlastnosti (např. vodivost)

22 Vlastnosti nanotrubek chem. reaktivita větší než u grafitu existují ve formě provazců a svazků, jednotlivé nanotrubky: van der Waalsovy síly nereaktivní systémy nerozpustné rozpustné modifikace představeny nedávno (oxidace kys. dusičnou, vznik karboxylových skupin; adice karbenů, radikálů na stěny trubek) elektricky vodivé optická aktivita chirálních nanotrubek se s rostoucí velikostí zmenšuje machanická pevnost

23 Uhlíkové lusky (carbon peapods) prázdné SWNT naplněné fullereny (nejčastěji C 60 a C 70 )-vznik v plynné fázi A) 400 °C B) 800 °C- náhodné spojení některých sousedních fullerenů C) 1000 °C- koalescence na tubulární systém D) 1200 °C- zcela tubulární topologie E) 25 °C- lusk

24 Uhlíkové cibule (carbon onions) endohedrální komplexy fullerenů princip „matrjoška“ fullereny slouží pravděpodobně jako templáty (zárodečná centra), okolo další fullerenové struktury d = 4 – 36 nm Příprava: modifikace metod založených na oblouku mezi grafitovými elektrodami laserová ablace uhlíkového povrchu v peci

25 Potenciální využití nanotrubek templáty – –nanoreaktory kompozitní materiály – –výstuže tepelné materiály – –tepelné vodiče kondenzátory mikroelektronika vlákna a tkaniny nosiče katalyzátoru a další… AFM (Atomic Force Microscopy)-mikroskopie atomárních sil, trojrozměrné zobrazení povrchu

26 Děkuji za pozornost Použitá literatura: [1] [2] [3] [4] J.P. Hare, H. W. Kroto, R. Taylor, Chem. Phys. Letters, 177, 4,5, 394–398 [5]


Stáhnout ppt "Fullereny, nanotrubky. Fullereny: historie – objev 80. léta 19. století- H. Kroto, R.Smalley a B. Curl laserovým odpařováním grafitu vznikají uhlíkové."

Podobné prezentace


Reklamy Google