KCH/NANTM Přednáška 8 Uhlíkaté NM.

Prezentace na téma: "KCH/NANTM Přednáška 8 Uhlíkaté NM."— Transkript prezentace:

1 KCH/NANTM Přednáška 8 Uhlíkaté NM

2 Obsah Fullereny Nanotrubičky Grafen Aerogely

3 Fullereny

4 Fullereny 1985 Harold W. Kroto R. F. Curl, R. E. Smalley
Výskyt ve vesmíru R. F. Curl, R. E. Smalley Syntéza Nejčastěji C60 1996 – Nobelova cena

5 Fullereny První exprimenty pro přípravu Laserové odpařování grafitu
Klastry uhlíku Unášení heliem Prudké ochlazení Analýza na MS Klastry C60 a C70

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

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

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

9 Fullereny - struktura Pro uzavřené těleso – 12 pětiúhelníků
Počet šestiúhelníků neomezený C20 – dvanástistěn Každý další sudý počet atomů C S vyjímkou C22 ?Fulleren = C60? C60 nejstabilnější Eulerova věta

10 Fullereny – C60 Nejsymetričtější Všechny uhlíky rovnocenné postavení
Rozprostření napětí Vysoká stabilita Komolý ikosaedr

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

12 Fullereny - struktura Fullereny v řadě
C60 C70 C76 C78 C80 C82 V84 Četnost výskytu nad C70 rapidně klesá Další fullereny C240, C330 html

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

14 Fullereny - fullerity 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 Fullereny nestlačitelné

15 Fullereny – dimery/polymery
Typy S přímým propojením fullerenových molekul Bez přímého propojení fullerenových molekul

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

17 Fullereny - Dimery Syntéza (C60)2 Heterogenní dimery
Mechanicko-chemická reakce Katalýza KCN Vysokorychlostní vibrační mletí Heterogenní dimery Bez přímého propojení Např. C120O Syntéza dalších sloučenin Degradace C60 na světle a vzduchu

18 Fullereny - fulleridy Dopované fullereny a fullerity
Interkalace Kovy Anorganické sloučeniny Organické sloučeniny Interkalační sloučeniny Fullerit C60 1 oktaedrický intersticiální prostor 2 tetraedrické intersticiální prostory

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

20 Fullereny - příprava Laserová ablace grafitového terčíku v He atmosféře Kondenzace klastrů v proudu He Expanze do vakua Malá množství

21 Fullereny - příprava 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 Fullereny - příprava Makroměřítko Separace
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 Fullereny - příprava Separace I extrakty mohou obsahovat nečistoty
Sublimační metoda Saze s fullereny zahřívány (křemenná trubice) He atmosféra Fullereny sublimují I extrakty mohou obsahovat nečistoty Další čištění Kapalinová chromatografie Speciální kolony

24 Fullereny - příprava Nový postup Spalování organického materiálu
Vznik fullerenů Vedlejší produkt – aromatické polykondenzované systémy Možnost vyrábět větší množství fullerenů

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

26 Fullereny - aplikace Medicína a farmacie Fullerenová chemie
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 Rozšíření magnetismu na plasty

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

28 Nanotrubičky

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

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

31 Nanotrubičky - struktura
Většinou uzavřené konce Konce podobné fullerenům

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

33 Nanotrubičky - struktura
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 Nanotrubičky - příprava
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 Nanotrubičky - příprava
Vedlejší produkty Amorfní saze Fullereny Částice katalyzátorů (Fe, Ni, Co, B, Ga) Nutná separace MWNT – rozdružování v polárních kapalinách se surfaktantem Ultracentrifugace Mikrofiltrace

36 Nanotrubičky – vlastnosti, využití
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 Nanotrubičky – vlastnosti, využití
Molekulová nanotechnologie Nanomechanismy NEMS 50 – 100x vyšší pevnost než ocel Výborná tepelná vodivost Zobrazovače s vysokým rozlišením (Motorola NED – nano emissive display)

38 Nanotrubičky – vlastnosti, využití
Využití v AFM Kulovité částice Kolmá rozhraní Růst přímo na povrchu hrotu Katalýza Fe (MWNT) nebo FeOx (SWNT) CVD Ultracitlivé senzory Bioaplikace Toxicita?

39 Grafen

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

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

42 Grafen - příprava CVD metoda Chemicko-mechanická dekompozice grafitu
Oxidace grafitu (KMnO4 + H2SO4) Oddělení vrstev v ultrazvuku Zpětná redukce Metoda Lepící pásky

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

44 Aerogely

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

46 Aerogely 1931 (S. Kistler) – gel na bázi SiO2 Příprava metodou Sol-gel
Superkritické sušení Příprava metodou Sol-gel Póry struktury vyplněny rozpouštědlem

47 Aerogely Typy sušení Superkritické sušení – rozpouštědlo (nejčastěji organické) je přivedeno do superkritického stavu Superkritické sušení s CO2 – vyvinuto biology (EM), CO2 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 Aerogely - typy Anorganické Organicko-anorganické Organické Uhlíkaté
Prekurzory anorganické – sloučeniny křemíku, hliníku ad. Organicko-anorganické Směsné prekurzory Organické Organické prekurzory – resorcinol+formaldehyd, resorcinol+furfural ad. Uhlíkaté Pyrolýza organických aerogelů

49 Aerogely – vlastnosti, využití
Vysoká porozita Velký měrný povrch Nízká hustota Lehké a zároveň pevné Malá tepelná vodivost Katalyzátory a jejich nosiče Sorbenty polovodiče

50 Pro dnešek vše 