i nanorurki Tomasz Prus Bartłomiej Olejak Marek Paściak

Presentation on theme: "i nanorurki Tomasz Prus Bartłomiej Olejak Marek Paściak"— Presentation transcript:

1 i nanorurki Tomasz Prus Bartłomiej Olejak Marek Paściak
Fulereny i nanorurki Tomasz Prus Bartłomiej Olejak Marek Paściak

2 Co to są fulereny? Jedna z alotropowych odmian węgla

3 Diament Struktura kubiczna przestrzennie centrowana
Każdy atom otoczony tetraedrycznie Wiązania o charakterze kowalencyjnym hybrydyzacja sp2

4 Grafit Układ heksagonalny W płaszczyźnie hybrydyzacja sp2
Odległość pomiędzy płaszczyznami ok.0.3nm Oddziaływanie pomiędzy płaszczyznami słabe

5 Fuleren C60 i pochodne Kryształ cząsteczkowy
Strukturę tworzą cząsteczki węgla o liczbie atomów począwszy od 60-ciu Jedyna czysta odmiana alotropowa węgla

6

7 Geometria fulerenu C60 ścięty dwudziestościan
12 pierścieni pentagonalnych 20 pierścieni heksagonalnych 30 wiązań podwójnych średnica cząsteczki nm długości wiązań nm i nm

8 Kryształ fulerenu - fuleryt
Struktura krystaliczna T<260K - sc T>260K - fcc Stała sieci nm Przerwa energ. 1.5eV Energia jonizacji 7.6eV Izolator

9 Nanoskala

10 Nanorurki Jednościenne bądź wielościenne rurki węglowe o średnicy nawet poniżej 1nm Przypominają pojedyncze warstwy grafitu (lub kilka warstw umieszczonych jedna na drugiej) zwinięte w pozbawione denek walce

11

12 Historia odkrycia fulerenów
Zainteresowanie Kroto rolą węgla we wszechświecie Symulacja atmosfery gwiazd węglowych - wspólpraca z Curlem i Smalley’em Otrzymanie widma spektrometrii mas klasterów węglowych Propozycja struktury cząsteczki Potwierdzenia teoretyczne i doświadczalne Nagroda Nobla 1996

13 Odkrycie nanorurek Sumoi Iijima w 1991r. donosi w Nature o odkryciu rurek węglowych podczas badań nad elektrołukową syntezą fulerenów

14 Metody otrzymywania oraz mechanizm powstawania nanorurek i fulerenów.
Tomasz Prus

15 Otrzymywanie i powstawanie nanorurek i fulerenów:
Metody otrzymywania Charakterystyka powstawania Ceny

16 Otrzymywanie fulerenów:
Aktywacja laserem Metoda elektrołukowa Metoda płomieniowa Inne Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów

17 Aktywacja laserem

18 Schemat otrzymywania fulerenów:
Sublimacja substancji „węglowej” Kondensacja gazu węglowego Ekstrakcja

19 Metoda grzania oporowego
Kratschmer-Huffman He 13,3kPa

20 Metoda elektrołukowa Optymalne warunki (wg Wydziału Chemi UW)
Gaz buforowy – Hel 13,3 kPa średnica elektrod 6mm zasilanie prądem zmiennym 45% fulerenów w tym 85% C60 odległość między elektrodami 1mm

21 Wady i zalety metody elektrołukowej
+ prostota + wydajność - wysoka energochłonność - brak ciągłości w procesie

22 Proces typowego spalania z zawartością fulerenów (20%)
Metoda płomieniowa Odkrycie Howarda Podczas spalania acetylenu lub benzenu w tlenie, w sadzy znaleziono fulereny. Niskie ciśnienie (10kPa) Stosunek C/O = 0.989 Rozcieńczenie reagentów helem Proces typowego spalania w specyficznych warunkach Sadza z zawartością fulerenów (20%)

23 Inne metody otrzymywania
Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów

24 Plazma węglowa (z wyłączeniem łuku)
odparowywanie próbek różnych węgli w plaźmie indukcyjnej (30kW, 400Hz) w helu po ciśnieniem 15 hPa, temperatura 2800K plazma węglowa z par naftalenu pod ciśnieniem atomosferycznym w atmosferze azotowej w temperaturze 4500K

25 Piec słoneczny Gęstość energii: 2000 W/cm2 Argon 500 Torr

26 Piroliza węglowodorów
Węglowodory zawierające pierścienie penta- i heksagonalne Wysoka temperatura Różne produkty, w tym fulereny + = Naftalen i koranulen 1000ºC 1% w sadzy

27 Otrzymywanie nanorurek
Metoda elektrołukowa Metoda katalityczna Inne Wysokotemp. elektroliza Piroliza termiczna Piec słoneczny Plazma węglowa

28 Metoda elektrołukowa Sumio Iijima Argon 13,3kPa

29 Struktura depozytu katodowego

30 Schemat fraktalnej mofrologii depozytu katodowego

31 Modyfikacje metody elektrołukowej
500 Torr Hel 100A  25% anody przemienia się w nanorurki 20 Torr Metan 30A  więcej nanorurek w depozycie 100 Torr Wodór 90A  wysoka jakość nanorurek Ale dlaczego powstają tylko nanorurki wieloscienne ?

32 Metoda elektrołukowa – nanorurki jednościenne
Elektroda grafitowa z pewnymi metalami. Nanorurki jednościenne. Metoda elektrołukowa Odkrycie Iijim i Ichidashi

33 Nanorurki jednościenne
2,5 100 660 He Y, B 1,3 – 1,7 70 600 Pt 1,2 95-105 Co 0,7 – 1,6 200 10-40 Ar Fe Średnica nanorurek [nm] Natężenie [A] Ciśnienie [Torr] Gaz Katali-zator

34 Napełnianie nanorurek
Atmosfera z zawartością niektórych metali Nanodruty Hel z dodatkiem Fe(CO)5 Nanoruka wypełniona żelazem

35 Gorąca powierzchnia metalu
Metoda katalityczna Czyli katalityczny rozkład węglowodorów... Gazy zawierające węgiel Gorąca powierzchnia metalu + = Np. katalityczny rozkład acetylenu w temperaturze 970K pod ciśnieniem atmosferycznym. Katalizator: Fe, Ni, Cu lub Co WADY: Czas reakcji 5h, zanieczyszczenia wewnątrz nanorurek

36 Użycie lasera Prof. Smalley

37 Inne metody Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza termiczna
Wysokotemperaturowa elektroliza soli

38 Wysokotemperaturowa elektroliza soli

39 Mechanizmy powstawania fulerenów
Wiele różnych metod wytwarzania Wiele koncepcji powstawania

40 Mechanizm powstawania I „Ścieżka pentagonalna”
Smalley

41 Mechanizm powstawania II „Ścieżka fulerenowa”
Heath

42 Mechanizm powstawania III „Przyleganie pierścieni”
Wakabayashi Achiba

43 Mechanizmy powstawania nanorurek
Wiele różnych domysłów i hipotez Stosowanie kwantowej dynamiki molekularnej QMD Dlaczego czasem się nie zamykają ? Wielościenne / jednościenne...

44 Powstawanie nanorurek w łuku węglowym
Transformacja nanopłaszczyzn

45 Powstawanie nanorurek w łuku węglowym

46 Powstawanie nanorurek w procesie katalitycznym

47 Ceny.... Nanorurki jednościenne
7960 South Kolb Road, Tucson, Arizona Nanorurki jednościenne ( nm µm 40% zawartości) $ Fulereny C – 190 $ Fulereny C – 850 $

48 Funkcjonalizacja fulerenów
Chemia egzohedralna –reakcje przyłączania na zewnątrz cząsteczek fulerenów Chemia endohedralna – reakcje „zaklatkowania” obcego atomu w cząsteczce fulerenu Heterofulereny – reakcje częsciowej substytucji atomu węgla w fulerenach przez atomy innych pierwiastków

49 Fulereny egzohedralne
C60(OSO4)(4-tert-butylopirydyna)2

50 Fulereny egzohedralne c.d
C60H36 C60O2

51 Ciekawsze fulereny egzohedralne
reakcje utleniania reakcje redukcji fulerole – fulereny z grupami hydroksylowymi Fluorowcopochodne C60Xn gdzie X=fluor, brom, chloru metalofulereny – związki z grupy platynowców mają właściwości katalityczne Procesy cykloaddycji

52 Procesy cykloaddycji Otrzymywanie makrocząsteczkowego fulerenodendrytu
w wyniku reakcji cykloaddycji

53 Fluorowcopochodne C70Cl10 C60Cl6

54 Możliwości funkcjonalizacji chemicznej cząsteczki C60

55 Fulereny endohedralne

56 Ciekawsze fulereny endohedralne
- M–metal, fulereny nabywają własności przewodzące - M –atom metalu alkalicznego, są wysokotemperaturowymi nadprzewodnikami

57 Metody otrzymywania fulerenów endohedralnych
Sublimacja laserowa lub elektrołukowa grafitu impregnowanego obcym pierwiastkiem Mechanizm „otwarcia okiennego” Wysokoenergetyczne kolizje bimolekularne

58 mechanizm „otwarcia okiennego”

59 Izomery

60 Heterofulereny Hipotetyczna stuktura B30N30 oraz C12B24N24

61 Podobieństwo struktury azotku boru i grafitu

62 Widmo sadzy fulerenowej

63 C60 i C70 C60

64 Izomery C84

65 C540

66 Fulereny giganty C620 C636

67 Nanocebulki węglowe

68 Nanorurki

69 Różne konfiguracje nanorurek
Konfiguracja fotelowa: Konfiguracja zygzakowa: Konfiguracja chiralna:

70 Nanorurki węglowe jako pochodne fulerenów

71 Właściwości nanorurek węglowych

72 Perspektywiczne zastosowania fulerenów i nanorurek
Marek Paściak

73 Obszary perspektywicznych zastosowań fulerenów

74 Nadprzewodniki M3+@C60 Jonowe związki M3C60 - fulerydy Potas - 18K
Rubid - 30K Cez - 33K RbxCsy - 45K

75 Fotooptyka i fotoprzewodnictwo
Cienkie warstwy na krzemie Ograniczniki optyczne Płyty do kopiarek i drukarek laserowych

76 Zastosowania w medycynie
Wchłanianie i neutralizacja wolnych rodników Blokowanie centrów aktywnych enzymów HIV - metanofulereny destrukcyjne działanie na komórki rakowe rozpuszczalna w wodzie liposomowa pochodna nanometryczne kapsułki

77 Zastosowania w medycynie (2)
Czynniki kontrastujące w rezonansie magnetycznym Radionuklidy - nośniki promienitwórcze przydatne w diagnostyce

78 Inne zastosowania Stabilizatory paliw samolotowych
Materiały kompozytowe aluminium, polietylen Produkcja diamentów Katalizatory Jonowe silniki rakietowe

79 Zastosowania nanorurek
Już jako produkt komercyjny: koniec ostrza pomiarowego mikroskopu sił elektronowych części samochodów GM

80 Źródła światła i wyświetlacze
Zjawisko emisji polowej Gęstość prądu rzędu 1A/cm2

81 Nanorurki w elektronice
Przewodnik lub półprzewodnik Średnica - przerwa energetyczna Rurki wielowarstwowe - kable koncentryczne ? Brak kontroli nad wzrostem

82 Tranzystor polowy Praca w temperaturze pokojowej
Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych Mniej zużywanej energii

83 Tranzystor jednoelektronowy
Nie pierwszy SET Odległość między wygięciami - 20nm Działa w temperaturach pokojowych

84 Kompozyty węglowe Energia wiązania atomów węgla 6,7eV/atom
Lokalność uszkodzeń W sferze dalekich planów z racji ceny nanorurek

85 Nanowaga

86 Inne Pamięć mechaniczna Nanomanipulatory Pojemniki na wodór i jony
Superczułe sensory

87 Uff, to już koniec...

88 Literatura A.Huczko, Fulereny PWN,2000
sbchem.sunysb.edu/msl/fullerene - A Fullerene Structure Library researchweb.watson.ibm.com/nanoscience