Фуллерендерді синтездеу әдістері

Жұмыс түрі: Дипломдық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 39 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасының Білім және ғылым Министрлігі

әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті

Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы

ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС

тақырыбы: Құрамында фуллерен бар күйеден фуллерендерді оқшаулау және соңғы өнімнің шығымдылығын есептеу

мамандық бойынша 5B071000 - Материалтану және жаңа материалдар технологиясы

Oрындaғaн: __________________________________С адық А.Ғ.
Ғылыми жетекші:
Аға оқытушы____________________________ _____Исмаилов Д.В.

Қорғауға жіберілді

Хаттама № _____ "__" _________ 2020 ж.

Кафедра меңгерушісі
PhD, доцент_____________________________ _____ Ибраимов М.К.
Норма бақылаушы
аға оқытушы____________________________ ______Кенжегулов А.К.

Алматы, 2020 ж.
ТҮЙІН СӨЗ

Дипломдық жұмыс: 42 беттен, соның ішінде 3 кесте, 24 сурет, 5 формуладан тұрады. Пайдаланылған әдебиеттер саны: 51.
КӨМІРТЕКТІ НАНОҚҰРЫЛЫМДАР, ФУЛЛЕРЕН С60, ФУЛЛЕРЕН С70, ДОҒАЛЫҚ СИНТЕЗ, ЭКСРАКЦИЯ, ТОЛУОЛ, РАМАН СПЕКТРОСКОПИЯСЫ, ОПТИКАЛЫҚ МИКРОСКОПИЯ.
Мақсаты: көміртекті наноқұрылымдар негізінде фуллерендерді кең ауқымда қолдану үшін, физика-химиялық сипаттамаларын бақылау мүмкіндігімен оларды алу және зерттеу.
Объект - көміртекті наноқұрылымдар, атап айтқанда фуллерендер және олардың органикалық еріткіштерді дайындау және бөлу әдістері.
Пән - термиялық өңдеу, доғалық синтез, эксракциялау, алынған фуллерендердің қасиеттерін зерттеу.
Дипломдық жұмыста қойылған талаптар мен мақсаттарға қол жеткізу үшін келесі міндеттер қойылды: доғадағы графитті термиялық буландыру арқылы көміртекті наноқұрылымдарды алу технологиясын зерттеу, органикалық еріткішпен фуллерендерді алу технологиясын зерттеу, нәтижелердің физика-химиялық қасиеттерін зерттеу.
Нәтижелері:
доғалық синтез әдісі арқылы құрамында фуллерен бар күйе алынды;
сокслет құрылғысы арқылы құрамында фуллерен бар күйеден фуллерендер оқшауланды;
алынған фуллерен үлгілерінің физика-химиялық қасиеттері зерттелінді.

РЕФЕРАТ

Дипломная работа состоит из 42 страниц, в том числе 3 таблица, 24 рисунков, 5 формулы. Количество использованной литературы: 51.
УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ, ФУЛЛЕРЕНЫ С60, ФУЛЛЕРЕНЫ С70, ДУГОВОЙ СИНТЕЗ, ЭКСРАКЦИЯ, ТОЛУОЛ, СПЕКТРОСКОПИЯ КОМБИНАЦИОННОГО РАСЕЯНИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ.
Цель: разработка и исследование углеродных наноструктур на основе фуллеренов для создания новых материалов для широкого спектра применения, с возможностью контроля физическо-химических характеристик.
Объект - углеродные наноструктуры, в частности фуллерены и их методы получения и разделения органическим растворителем.
Предмет - термообработка, дуговой синтез, экстракция, исследование свойств полученных фуллеренов.
Для достижения поставленных в дипломной работе требований и цели были поставлены следующие задачи: отработать технологию получения углеродных наноструктур методом термического испарения графита в дуге, отработать технологию экстракции фуллеренов органическим растворителем, исследовать физико-химические свойства полученных результатов.
Результаты:
методом дугового синтеза были получены фуллеренсодержащая сажа;
выделяли фуллеренов из фуллеренсодержащей сажи с помощью устройства Сокслета;
изучены физико-химические свойства полученных образцов фуллеренов.

ABSTRACT

The thesis consists of 42 pages, including 3 table, 24 figures, 5 formulas. Number of references: 51.
CARBON NANOSTRUCTURES, C60 FULLERENES, C70 FULLERENES, ARC SYNTHESIS, EXTRACTION, TOLUENE, COMBINATION SCATTERING SPECTROSCOPY, OPTICAL MICROSCOPY.
The purpose: development and study of carbon nanostructures based on fullerenes to create new materials for a wide range of applications, with the ability to control physical and chemical characteristics.
The object - carbon nanostructures, in particular fullerenes and their methods for the preparation and separation of organic solvents.
The subject - heat treatment, arc synthesis, extraction, study of the properties of the obtained fullerenes.
To achieve the requirements and goals set in the thesis, the following tasks were set: to develop a technology for producing carbon nanostructures by thermal evaporation of graphite in an arc, to develop a technology for the extraction of fullerenes with an organic solvent, to study the physicochemical properties of the results.
Results:
fullerene-containing soot was obtained by the method of arc synthesis;
isolated fullerenes from fullerene-containing soot using a Soxhlet device;
studied the physicochemical properties of the obtained fullerene samples.

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
6
1 ФУЛЛЕРЕНДЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ СИНТЕЗДЕУ ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .

7
1.1 Фуллерендердің құрылымы мен синтезі туралы алғашқы мәліметтер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..

7
1.2 С60 және С70 фуллерендерінің құрылымы ... ... ... ... ... ... ... ...
8
1.3 Фуллерендерді синтездеу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
13
1.4 Фуллерендерді оқшаулау және бөлу әдістері ... ... ... ... ... ... ... ...
15
1.5 Фуллерендердің химиялық қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ...
17
1.6 Фуллерендердің қолданылу аймағы ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ...
19
2 ЗЕРТТЕУ ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
23
2.1 Раман спектроскопиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
23
2.2 Сканерлеуші электрондық микроскопия ... ... ... ... ... ... ... ...
23
2.3 Оптикалық микроскопия ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
25
3 ТӘЖІРИБЕЛІК ЖҰМЫС ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ..
27
3.1 Фуллеренді синтездеу әдісін сынау ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ..
27
3.2 Фуллерендерді органикалық еріткішпен алу әдісін сынау ... ... ...
32
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
38
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ...
39

КІРІСПЕ

Соңғы үш онжылдықта көміртекті наноматериалдар өзінің бірегей электрондық, оптикалық, жылу, механикалық және химиялық қасиеттерінің арқасында әлем ғалымдарынаң айтарлықтай назарын өзіне аударды және зерттеушілерге іргелі және қолданбалы ғылым саласында елеулі табыстарға қол жеткізуге және озық технологиялар мен қосымшаларды дамытуға мүмкіндік берді [1-3].
Көміртекті наноматериалдар коммерциялық өнімдерде кеңінен қолданылады. Көміртекті наноматериалдарды, атап айтқанда фуллерендерді зерттеуге бағытталған көптеген ғылыми жұмыстар нанотехнологияның басқа бағыттарына қарағанда әлдеқайда көп. Фуллерендердің ашылуына байланысты көміртекті нанотехнология өзіне елеулі назар аударды, одан кейін көміртекті нанотүтікшелер және, әрине, көміртегі тұқымдас графен де ашылды (1-сурет).

1-cурет. Фуллерендерді қолдану аймағы

Соңғы уақытқа дейін, фуллерендер көміртекті наноқұрылымдардың ең танымал өкілдері болды және 1990 жылдардың басында көміртекті нанотүтікшелер пайда болғанға дейін нанотехнологияның эмблемаларының бірі болды. Алайда, көміртектің осы аллотропиялық модификациясын зерттеудің 30 жылдық тарихына қарамастан, фуллерендер бүкіл әлемнің теоретиктері мен экспериментаторлары ғалымдарының басты назарында болып қала береді [2].
Жоғарыда айтылғандарды талдай отырып, 1-суретте көрсетілгендей, көміртекті наноматериалдарды әрі қарай зерттеуге, сондай-ақ оларды кеңінен қолдануға кедергі келтіретін мәселелерді шешуге бағытталған зерттеулер өте маңызды екенін атап өтуге болады.
1 ФУЛЛЕРЕНДЕРДІҢ ҚАСИЕТТЕРІ ЖӘНЕ ОНЫ СИНТЕЗДЕУ ӘДІСТЕРІ.

1.1 Фуллерендердің құрылымы мен синтезі туралы алғашқы мәліметтер.
Фуллерендер ашылмай тұрып, олардың болуы мүмкін екендігі туралы гипотезалар болды. 1966 жылы Д.Доунс дұрыс алтыбұрыштардан тұратын графит қабатына бесбұрышты ақауларды енгізу, тиісті жабық қуыс құрылымның пайда болуына әкелуі мүмкін деп болжады [1]. Коранулленің синтезі хабарланғаннан кейін [2], 1970 жылы Осава алғаш рет футбол добы сияқты формасына ие С60 молекуласының тұрақтылығы туралы гипотезасын ұсынды (2-сурет) [3,4]. Кейін бұл молекуланың тұрақтылығы Гюкель әдісі бойынша кванттық химиялық есептеулер арқылы дәлелденді [5-7].

2-cурет. Корануллен және толық C60 бейнесі

1984 ж. Ролфинг, Кокс және Колдер графиттің вакуумдағы лазерлік булануы кезінде құрамында 1-ден 190 атомдарға дейінгі CN көміртекті кластерлерін алуға болатынын хабарлады [8]. Бұл жағдайда кластерлердің өлшемі бойынша айқын бөлінуі алынды:1) 1-ден 30-ға дейінгі атомдардың жұп және тақ саны бар кластерлер; 2) 20-дан 90-ға дейінгі атомдардың тек жұп саны бар кластерлер.
Фуллереннің ашылуы 1985 жылы Гарольд В. Крото, Джеймс зерттеушілер тобының арқасында болды. Р.Хит, Шон С., О. Брайен, Роберт Ф. Керл және Ричард Э. Смаллли, олар лазер графит бетін сәулелендіргенде көміртек кластерлерінің пайда болу жағдайларын зерттеді [9]. Олар кластердің қалыптасуының белгілі бір жағдайларында ионның шыңы mz = 720 болатын, ал қарқындылығы төмен, ион шыңы mz = 840 болатын өнімнің массалық спектрін алуға болатындығын анықтады. Кейінірек, бұл шыңдар С60 және С70 молекулаларына сәйкес келгені дәлелденді, олардың құрылымы қисық икосаэдра (симметрия Ih) және эллипсоидтік (симметрия D5h) типті түрінде болады. Бұл ашылым үшін Дж. Крото, Р.Смаллли және Р.Курл 1996 жылы Нобель сыйлығының лауреаттары атанды.
Алғаш рет табылған молекулалар, американдық сәулетші Бакминстер Фуллердің (1895-1983) көптеген еңбектерінде қолданылған геодезиялық күмбездің құрылымына ұқсас болғандықтан фуллерен деп аталды.

1.2 С60 және С70 фуллерендерінің құрылымы.
Фуллерендердің құрылымдық ерекшеліктері және оқшауланған бесбұрыш ережесі. Фуллерендер - көміртектің жаңа аллотропты модификациясы, ондағы атомдар бес және алты мүшелі сақиналардан (бесбұрышты және алтыбұрышты) құралған көпбұрышты құрайды.Фуллерендерде ең кіші элемент құрылымы графит пен алмаздағыдай атомдардың периодтық торы емес, фуллерендердегі ең кіші элемент құрылымы - молекула болып табылады.
Сонымен қатар, фуллерендердің басқа да құрылымдық пішімдер бар. Мысалы, төрт мүшелі сақинасы (тетрагон) бар C62 фуллерені [10] және жеті мүшелі сақинасы (гептагон) [11] бар C68 фуллерені [11] эксперимент түрінде алынды.
Фуллереннің молекулаларының құрылымы Л.Эйлер теоремасына толық сәйкес келеді, оның көмегімен жабық беттерді салу үшін, қажет көпбұрыштардың санын анықтауға болады. Ол полиэдрдегі V шыңдарының, F қырлары мен Е қабырғаларының санын байланыстыратын келесі арақатынастың дұрыстығын бекітеді:

F-E+V=2

(1)

Фуллерендердің көп бөлігі бесбұрыштар мен алтыбұрыштардан тұратындықтан, оларға келесі теңдіктер сәйкес келеді:

F=P+H

(2)

E=5P+6H2

(3)

V=5P+6H3
(4)

мұндағы, P және H - сәйкесінше бесбұрыштар мен алтыбұрыштар қырларының саны.
Содан кейін, (2)-ні (1)-ге ауыстыру арқылы жабық бетті қалыптастыру үшін 12 бесбұрышты бет пен алтыбұрыштың белгілі бір саны қажет екенін табу оңай. Фуллерен молекуласын құру үшін алтыбұрыш санын мына формула бойынша табуға болады:

H=V2-10
(5)

Осылайша, фуллерен молекуласында 12 бес циклды және H алты мүшелі сақиналардың өзара орналасуының көптеген нұсқаларына байланысты изомерлердің көп болуы мүмкін. Мысалы, 12 бесбұрыш және 20 алтыбұрыш түзілген С60 фуллерені үшін 1812 топологиялық изомерлер белгілі [12]. Алайда, олардың біреуі ғана тұрақты, оқшауланған бесбұрыш ережелерін қанағаттандырады. Осы ережеге сәйкес, көршілес бесбұрыштар жоқ фуллерендер ең тұрақты болып табылады және бесбұрыш тәрізді құрылымдар (бесбұрыштар ортақ байланысқан) тұрақсыз [4,9,13]. Бұл ретте, белгілі бір фуллереннің осы ережеге сәйкестігі оның практикалық синтезінің мүмкіндігін бекітпей, басқа изомерлермен салыстырғанда оның үлкен тұрақтылығын көрсетеді.
Фуллерендердің көпшілігі оқшауланған бесбұрыш ережелерін қанағаттандырады, сонымен қатар осы ережеге бағынбайтын фуллерендердің тұрақты туындысының болуын растайтын жұмыстар да бар [14-17].

3-cурет. Фуллерен С60 және C70 молекулаларының құрылымы

Фуллерендер С60 (Ih симметриясымен изомер) және C70 (D5h симметриясы бар изомер) оқшауланған бесбұрыш ережелеріне сәйкес келеді (3-сурет), ең тұрақты және нәтижесінде кең таралған және зерттелген.
Фуллерен С60 құрылымының ерекшеліктері. Ih симметриясы бар фуллерен С60 изомерінің молекуласы дұрыс кесілген икосаэдр құрылымы бар,мұндағы көміртек атомдары 12 бес мүшелі және 20 алты мүшелі циклдің шыңында орналасқан. Бұл ретте әрбір алтыбұрыш үш алтыбұрышпен және үш бесбұрышпен шектеседі, ал әрбір бесбұрыш тек алтыбұрыштармен қоршалған (2-cурет).
С60 фуллеренінің құрылымы бірінші рет ЯМР (Ядролық магниттік резонанс) 13c спектрімен расталды, ол бір синглеттен тұрады [18]. Бұл молекулада көміртектің барлық атомдары эквивалентті (яғни молекуланың симметрия операцияларымен бір-біріне аударылады), сондай-ақ, екі типті байланыстардың бөлінуі байқалады: 1) екі алтыбұрыш шекарасындағы 6-6 байланысы; 2) алтыбұрыш және бесбұрыш шекарасындағы 6-5 байланыс. 6-6 байланысы 6-5 байланысына қарағанда айтарлықтай қысқа болып келеді, олардың ұзындықтары 1.369-1.406 Å және 1.43-1.467 Å (1-кесте). Осылайша, алтыбұрыштарда екі 6-6 байланысы және бір 6-5 байланысы кезекпен орналасқан, ал бесбұрыштар тек бір ғана 6-5 байланысы бар.
Бесбұрыштар үшін С60 молекуласындағы валентті бұрыштар 108°, ал алтыбұрыш үшін -- 120° мәні бар. Сәйкесінше, сфералық эксцесс ϕ, берілген атом үшін 360° дейінгі үш валенттік бұрыштың қосындысы ретінде анықталған барлық көміртек атомдары үшін 12 ° құрайды.
Осылайша, С60 фуллеренінің тұрақтылығы молекуланың жоғары симметриясымен (яғни молекула бойынша кернеудің біркелкі таралуымен), сондай-ақ бесбұрыштар мен алтыбұрыштардың планарлығымен анықталады.

1-кесте. Фуллерен С60 молекуласындағы байланыс ұзындығының мәндері (Å), эксперименталды және есептеу әдістерімен алынған [19]

Әдістері

Байланыс ұзындығы
[6-6]

Байланыс ұзындығы
[6-5]

Эксперименттік

ЯМР
1.370
1.448

Нейтронография
1.391
1.444

Газдық электронография

1.401

1.458

Рентгенді құрылымды талдау

1.355

1.467

Есептеулер

HF(STO-3G)
1.376
1.465

HF(7s3p4s2p)
1.369
1.453

LDF(11s6p)
1.390
1.430

HF(tzp)
1.370
1.448

MP2
1.406
1.446

Фуллерен С70 құрылымының ерекшеліктері. Фуллерен С70 фуллерендердің ішінде фуллерен С60-тан кейін ең кең таралған болып есептеледі. Ол 12 бесбұрыш пен 25 алтыбұрыштардан тұрады және эллипсоидтық пішінге ие.
Ядролық магниттік резонанстың 13С спектрінде (ЯМР) фуллерен С70 [20] бес шыңнан тұрады, бұл атомдардың бір-біріне баламалы бес тобының болуын көрсетеді. Сонымен қатар, шыңның қарқындылығы 10:20:10:20:10 арақатынасына ие, бұл әр топтағы көміртек атомдарының санын көрсетеді. Осылайша, C70 толыққанды молекуласының D5h симметриясына сәйкес келетіндігі анықталды.

4-cурет. Шлегель диаграммасы [19]

Фуллерен С70 молекуласында сегіз түрлі байланыс бар (4-сурет). Жалғыз және қосарланған байланыстардан басқа, экваторлық аймақта орналасқан бес алтыбұрыштар арасында байланыстар әлсірейді [19], ол есептік және эксперименттік мәліметтерге сәйкес келеді [21] (2-кесте).
Сондай-ақ, С70 фуллеренінде С60 фуллереніне қарағанда циклдердің бұрмалануы байқалады [22]. Ең күшті деформациялар (екі қырлы бұрыштардың мәндері 13°-ге жетеді) делокализацияланған байланыс алтыбұрыштарда байқалады, ал қос және жалғыз байланыстардың ауысуы бар бесбұрыштар мен алтыбұрыштарда бұл аз болады(тиісінше ~1 ° және ~ 5 °). Яғни, молекула полюстерінде орналасқан атомдар үшін, сфералық эксцесс максимум болады, ал экваторларында орналқан атомдар үшін минимум болады (бетінің қисықтығы аз болған сайын ϕ үлкен болады).
Осылайша, C70 фуллеренінің тұрақтылығы молекула бойынша кернеудің біркелкі таралуымен және бесбұрыштар мен алтыбұрыштар арасындағы байланыстардың кезектесуінің аздап ауытқумен байланысты.

1.3 Фуллерендерді синтездеу әдістері.
Фуллерендерді ең алғаш алған әдіс- фуллерендерді өте аз мөлшерді алған болатын. Бұл мәселенің шешімі 1990 жылы Крецчмер, Лам, Фостиропулос және Хаффман ұсынған әдіс болды [23].

2-кесте. Фуллерен С70 молекуласындағы байланыс ұзындығының мәндері (Å), эксперименталды және есептеу әдістерімен алынған [21]

Әдістері

Байланыс

a
b
c
d

e
f
g
h

1,461
1,388
1,453
1,386

1,468
1,425
1,405
1,531

Эксперименттік

Газдық электронография

Қатты күйдегі
1,464
1,370
1,470
1,370

1,460
1,470
1,390
1,410

электронография

Нейтронография
1,460
1,382
1,449
1,396

1,464
1,420
1,415
1,477

Рентгенді құрылымды талдау
1,458
1,380
1,459
1,370

1,460
1,430
1,407
1,476

Есептеу-лер
HFdzp
1,451
1,375
1,446
1,361

1,457
1,415
1,407
1,475

BP86tzp
1,454
1,401
1,450
1,395

1,449
1,441
1,424
1,471

Төмендеген қысым кезінде гелий атмосферасында электр доғасында графитті электродтарды жағу арқылы көміртекті "күйе" алу болды. Фуллерендерді көміртекті күйеде бар екені спектроскопиялық жолмен анықталды, біраз уақыттан кейін олар көміртекті күйеден фуллерендерді бензол немесе толуол экстракциясы арқылы бөліп алды.
Орталық аэрогидродинамика институтының ғалымдары ықшам құрылғыны қолдана отырып, жоғары сапалы фуллерендер, көміртегі түтіктері мен алмаздарды өндірудің жаңа әдістерін жасап, патенттеді.
Патенттелген әдістер жоғары сапалы көміртекті наноматериалдарды алуға мүмкіндік береді, ал процестің күрделілігі төмендейді, деп хабарлайды ИнформНаука.
Әдістің мәні келесідей. Арнайы камерада құрамында көміртегі бар тотықтырғыш заттың әр түрлі қатынасы бар екі қоспа (ацетилен немесе керосин) енгізіледі, ол қоспалардың біреуі жоғары дыбыстық сопло арқылы енеді, екеуі де қарқынды араласады. Содан кейін, камераға арнайы қоздырғыш жіберіледі, нәтижесінде қоспалар жарылып, сол жарылған аймақта бірнеше көміртек атомдарының бірлестігінен тұратын-көміртек кластерлері қалыптасады
Алынған өнімдер камерадан шығып, наноқұрылымды көміртекті алу үшін тез салқындаған кезде кристалданады. Көміртек кластерлері кристалданған кезде, қоспаның жаңа бөлігі камераға енгізіліп, процесс қайталанады.
Патенттелген әдіс бұрын қолданылған әдістерге қарағанда жоғары сапалы фуллерендер, нанотүтікшелер мен алмаздарды алуға мүмкіндік береді. Мысалы, жасанды алмаздың құрамында аз мөлшерде қоспалар болады, себебі алынған өнімдер камерада аз уақыт тұрады. Сонымен қатар, көміртекті наноматериалдарды өндірудің күрделілігі төмендейді, ал оларды өндіруге арналған жаңа құрылғы ыңғайлы болып келеді.
Плазма әдістері. Плазма әдістерінің ең танымал түрлерінің бірі - доғалық разрядта фуллерендерді алу болып табылады (ARC синтезі). Синтез инертті газ атмосферасында 150-500 тор [24] қысымымен жүзеге асырылады. Доғаны шығару үшін, байланыссыз әдісті қолданған жөн, яғни доғаны тұтатқаннан кейін электродтар бір-бірінен белгіленген қашықтықта ұсталады (доғалар олардың арасындағы саңылауда күйіп кетеді).
Доғасы тікелей токпен қамтамасыз етілгенде, негізінен анодты электрод буланып кетеді. Көміртекті бу доғаның жану аймағынан алынады, содан кейін арнайы салқындатылған камераның бетіне конденсацияланады.
Доға аймағында буферлі газ шығыны қамтамасыз етіледі, әйтпесе, бу тек конвективті ағындардың әсерінен кететін еді. Бұл жағдайда көміртегі буларының едәуір бөлігі катодта конденсацияланады, бұл фуллерендердің шығуының азаюына әкеледі [25].
Буферлік газ, сондай-ақ, көміртегі атомдары мен өсіп келе жатқан көміртегі кластерінің энергиясын сөндіру үшін қажет, бұл синтездің қажетті шарты болып саналады, өйткені доғадағы көміртегі атомдары тұрақты кластерлердің пайда болуына кедергі келтіретін жоғары энергияға ие. Көміртегі бөлшектрінен фуллерен молекуласын жинау процесі де энергия бөлумен өтеді. Гелий ең қолайлы буферлік газ екендігі анықталды, өйткені оның атомдары жеңіл, сонымен бірге қозған молекулалардың тербелістерін сөндірудің жоғары тиімділігі бар.
Әдебиеттерге сәйкес, доғалық синтез өнімдеріндегі фуллерендердің құрамы бір-екі пайыздан, бірнеше ондаған пайызға дейін өзгеруі мүмкін. Көміртекті "күйе" құрамында С60 (шамамен 90 %) және С70 (шамамен 10 %) фуллерендерінің қоспасы болады, сондай-ақ жоғары фуллерендердің аз мөлшері бар [25].
Фуллерен синтезінің тағы бір плазмалық әдісі - индукциялық плазманы пайдаланумен байланысты. Бұл типтегі плазма электродсыз, өйткені ол индукциялық индуктор катушкасының көмегімен плазмалық генератор камерасында құрылған ауыспалы магнит өрісі арқылы қозғалады және оған қолдау көрсетіледі. 0,01 Тор қысымында ұсталатын мұндай камерада көміртегі атомдары бар газдар (мысалы, спирттер мен көмірсутектер) енгізіледі. Плазмада С2 радикалдары болады және олар Ar, He, N2 немесе H2 газдарымен салқындатылады. Құрамында фуллерендер бар плазма камерасының қабырғаларында жиналады [26,27].
Сондай-ақ, фуллерендерді алу үшін құрамында қатты өнімді жинау және фуллерендерді оқшаулау үшін салқындатылған ыстыққа төзімді пластиналы экранның алдында ыдырау үшін ыстық плазмада қыздырылатын CS2 типті көміртегі бар қосылыстар қолданылады [28].
Омды электрлік қыздыру. Бұл синтез әдісі көміртекті немесе графитті мөлдір камерада, белгілі бір инертті газ қысымымен (мысалы, 200 Тор) қыздыру, электрлік жылытумен және концентрацияланған күн радиациясымен 3000-4000 °C температурасына дейін қыздыруды қамтиды. Осыдан кейін, фуллерендер камераның қабырғаларынан жиналады немесе инертті газдан алынады [29].
Графиттің индуктивті булануы. Фуллерендерді синтездеудің тағы бір әдісі - бор нитридінің субстратында орналасқан көміртегі үлгінің индукциялық булануы. Синтез гелий атмосферасында шамамен 2700 °C температурада жүзеге асырылады. Эксперимент барысында 1г графит 10 минут бойы ағады, ал алынған күйеден мг-ға дейін фуллерен сығындысын бөліп алуға болады [30].
Корона разряды. Бұл процесс құрамында 30-60% СО бар газ қоспасын реакциялық ыдысқа енгізуден және ыдыста Корон разрядын орнатудан тұрады. Бұл аппаратта қыздырылғаннан ақ түске айналған бір немесе бірнеше графитті электрод болады [31].
Графитті электродты сәулемен буландыру. Бұл әдіс фуллеренді күйенің құрамында жоғарғы фуллерендердің көп болуымен ерекшеленеді. Негізгі синтез өнімі C70 фуллерен болып табылады, ал С60 фуллерен сығындысының қоспасы ретінде болады. Сонымен қатар, оның құрамына C76, C78, C82 және C84 фуллерендері кіреді [30, 32].
Көмірсутекті крекинг. Фуллерендер сонымен қатар, көміртегі бар заттарды жағу арқылы алынады (мысалы, C6H6 және C2H2). Синтездің оңтайлы жағдайында фуллереннің бөлініп шығуы бастапқы затта болатын 1 кг көміртекке 3 г жетеді. Әдістің ерекшелігі - C70 фуллеренінің жоғары мөлшері. Экстракция нәтижесінде фуллерен C70С60 қатынасы 0,26-5,7 құрайды [33].
Фуллерендер сонымен қатар, аргон ағынында шамамен 1000°C температурада нафталин пиролизімен алынады [34]. Пиролиздің негізгі өнімдері - жеті нафталин фрагменттері бар полинафталендер. Бұл жағдайда С60 және C70 фуллерендері 0,5% -дан аз өнімі бар жанама өнімдер ретінде қалыптасады. Фуллерендердің туындылары, атап айтқанда С60H36, синтез өнімдерінің ішінде де кездеседі [30].

1.4 Фуллерендерді оқшаулау және бөлу әдістері.
Фуллерен синтезінің барлық тәсілдері құрамында көміртекті күйе, түрлі құрамды фуллерендер, графит бөлшектері, полиароматикалық көмірсутектер және т. б. болуы мүмкін қоспаны алуды білдіреді. Фуллерендерді оқшаулау мен бөлудің бірнеше жолы бар.
Фуллерендерді бөліп алудың барлық әдістерінің айтарлықтай кемшілігі хош иісті ерітінділері бар жүйелерде С60 және C70 қатты ерітінділерінің пайда болуы болып табылады (3-кесте) [35,36]. Рентгендік дифракциялық зерттеулер көрсеткендей, С60 бензолмен байланысқан кезде қатты фазада С60 4C6H6 сольватын береді [37].

3-кесте. С60 және С70 қатты ерітінділерінің хош иісті ерітінділері бар құрамы [38]
Фуллерен-еріткіш
Сольват құрамы (Сn еріткіш)
C60-бензол
1:(3,8+-0,2)
C60-толуол
1:(1,8+-0,2)
C60-бромбензол
1:(2,0+-0,2)
C60-1,2-диметилбензол
1:(2,0 - 3,4)
1:(2,1+-0,2)
C60-1,3-диметилбензол
1:(2,3-3,6)
C60-1,2-дихлобензол
1:(2,0+-0,5)
C60-1,3-дихлорбензол
1:(2,3+-0,5)
C60-1,3,5-триметилбензол
1:(2,0-4,0)
1:(0,5+-0,2)
C60-1,2,4-триметилбензол
1:(1,7 - 2,4)
C70-1,2-диметилбензол
1:(3,0 - 4,0)
1:(2,0+-0,5)
C70-1,2-дихлобензол
1:2
C70-бромбензол
1:(1,9+-0,2)
С60 және С70 фуллерендерінің әртүрлі политермалдық ерігіштігі негізінде бөлу. Бұл әдіс, температураға байланысты органикалық еріткіште (мысалы, о-ксилол) С60 және C70 фуллерендердің әртүрлі ерігіштігіне негізделген. Мысалы, екі өнімді шығару үшін фуллерендерді бөлудің әдісі белгілі: 1) С60 толық байытылған (С60 концентраты); 2) C70 фуллеренмен байытылған (C70 концентраты). Жеңіл фулендерден басқа, өнімдерде C76, C78, C84 ауыр фуллерендері бар [39] .
80-92 %-дан тұратын С60 фуллеренін 70-90°C температурасында алады.Ал 80-97 %-дан тұратын С70 фуллеренін (-15)(-25) °C температурасында алады.
Қарастырылып отырған әдіс, фуллерен қоспасын хроматографиялық бөлу үшін қолданылады. Бұл әдіс арқылы жеңіл және ауыр фуллерендерді бөлек-бөлек бөліп алуға болады.
Фуллерендерді сублимация арқылы оқшаулау. Фуллерендерді вакуумдағы сублимация жолымен олардың қоспасынан бөліп алуға болады [40]. Бұл әдіске сәйкес, графитті электр доғалық әдіспен буландырғанда булану аймағына фуллерендердің буы мен күйе бөлшектерін конденсация аймағына ауыстыратын гелий ағыны беріледі. Алайда, мұндай процесс күйені конденсация аймағынан газ ағынымен көшіруді және осы күйенің фуллерен конденсация аймағының ластануына алып келеді. Бұл ретте шаң ұстағыш сүзгілерді пайдалану қондырғының құрылымын күрделендіреді.
Бұл мәселені шешу үшін, алдын-ала паста пайда болғанша араластыра отырып, конденсатқа еріткіш қосу ұсынылды [41]. Еріткіш ретінде бензол, ксилол немесе аз мөлшерде суда еритін органикалық сұйықтық (спирт) қосуға болады. Фуллерендер вакуумда 580-ден 800 °C-қа дейінгі температурада сублимацияланады.Күйені аз мөлшерде қолданған кезде күйе тұрған аймақтан конденсация аймағына өтпейді.
Әдіс С60 және C70 фуллерендерінің жылуы мен сублимация температурасының айырмашылығына негізделген (әр түрлі авторлардың айтуы бойынша шамамен 3-5 кДжмоль және шамамен 10 °C). Сонымен қатар, олардың парциалды қысымдарының температуралық тәуелділігі айтарлықтай ерекшеленеді, бұл оларды қарастырылған әдіспен бөлуге мүмкіндік береді. Бұл әдісті тек алдын-ала тазарту және С60 және C70 бөлу үшін қолдануға болады [42].
Құрамында фуллерен бар күйеден фуллерендерді экстракциялау. Құрамында фуллерен бар күйеден фуллерендерді органикалық еріткіштер арқылы экстракциялау - көміртегі конденсатынан фуллерендерді алудың ең кең таралған әдісі.Фуллерендерді оқшаулау үшін қолданылатын еріткіштер фуллерендерді жақсы ерітіп, қайнау температурасы мүмкіндігінше төмен болуы керек. Көбінесе бензол, толуол және о-ксилол фуллерендерді оқшаулау үшін қолданылады [43]. Экстракция әдетте Сокслет аппараттарында жүзеге асырылады, ал фуллерен сығындысының шығымы көбіне процестің ұзақтығына байланысты болады.
Фуллерендерді бөлудің хроматографиялық әдісі. Бұл әдісті қолдануфуллерендердің органикалық еріткіште хроматографиялық бағана арқылы қоспаның бөлінуіне негізделген. Бағанадағы сорбент ретінде алюминий оксиді [44], таза немесе модификацияланған силикагель, стирол және дивинилбензол сополимері, [45], белсендірілген көміртегімен силикагель қоспасы [46] және т.б. пайдаланылуы мүмкін. Қоспа құрамындағы бөлшектердің өлшемдері әр түрлі болғандықтан олар бағананың төменгі жағына әр түрлі жылдамдықпен түседі.
Осылайша, таңдалған молекулалық массаның қосылуымен байытылған фракцияларды алуға болады.

1.5 Фуллерендердің химиялық қасиеттері.
Фуллерен көміртектің бұрыннан белгілі үш формасынан (алмаз, графит, карбин) ерекшеленеді, өйткені ол органикалық еріткіштерде (бензол, гексан, көміртегі дисульфиді) ериді. Ерітінділерден фуллерен ұсақ қара қоңыр кристалдар түрінде кристалданады. Өкінішке орай, рентгендік дифракциялық анализге олар жарамсыз, себебі молекулалардың сфералық түріне байланысты олардың құрылымы ретсіз. Фуллерен С60-тың осмийленген құрылымы 5-суретте көрсетілген.

5-cурет. Осмийленген С60-тың құрылымы

6-сурет. С60 құрылымының үзіндісі
Фуллерен бірден химиктерге тосын сый жасады. Онда сыртқы бензолға ұқсайтын 20 конденсирленген көміртекті алты цикл бар. Алайда, ұқсастық тек сыртқы пішінде болды. Бұны рентгенқұрылымды талдау нәтижелері анық көрсетеді. Әр алтыбұрышты циклде үш қысқа байланыс (ұзындығы 1,386 Å) және үш қарапайым қосылыс (ұзындығы 1,434 Å) болады. Бұл құрылымның үзіндісін 6-суретінде көре аласыздар.
Бензол сақинасында барлық байланыстардың ұзындығы бірдей және 1,397 Å аралық мәнге ие.
Фуллереннің тағы бір құрылымдық ерекшелігі - оның молекуласының диаметрі, шамамен 5 Å болатын ішкі қуысы бар. Молекуланың сыртқы диаметрі - 7.1 Å. Ішкі диаметрі сыртқыдан кішірек, өйткені көміртек атомдары мен олардың электрон қабықтары да белгілі бір мөлшерге ие.
Фуллерен - бұл өте тұрақты қосылыс. Кристалл түрінде ол атмосфералық оттегімен әрекеттеспейді, қышқылдар мен сілтілерге төзімді, 360°C температураға дейін ерімейді.
Оның химиялық қасиеттері жоғарыда аталған құрылымдық ерекшеліктерге толық сәйкес келеді, фуллерен хош иісті қосылыстарға тән реакцияларға түспейді; оның химиясы мүлдем басқа.
Фуллерит жоғары химиялық белсенділікпен сипатталмайды және мономолекулалық ыдырау процесіне төзімді. Мысалы, С60 молекуласы аргонның инертті атмосферасында ≈ 1200 К температураға дейін тұрақтылықты сақтайды. Алайда, оттегі болған кезде, тіпті 500 К болса да, СО және СО2 түзілуімен айтарлықтай тотығу байқалады. Калориметриялық өлшеулер нәтижесі бойынша, С60-ның қарқынды тотығу процесі бірнеше сағатқа созылады және аморфты құрылымның пайда болуына әкеледі, онда бір бастапқы С60 молекуласына 12 оттегі атомы түседі. Бұл жағдайда фуллериттің құрылымдық торы өз пішімінен айырылады. Бөлме температурасында С60 тотығуы тек 2-1200 эВ диапазонында энергиясы бар фотондармен сәулелену жағдайында ғана жүзеге асырылады.
Фуллерендер полярлы емес еріткіштерде оңай ериді. Ең танымал еріткіштер келесі қатарды құрайды: көміртегі дисульфиді (CS2), толуол (С7Н8), бензол (С6Н6), көміртек тетрахлориді (CCl4), декан (С10Н22), гексан (С6Н14), пентан (С5Н12).

1.6. Фуллерендердің қолданылу аймағы.
Көбінесе фуллерендер жартылай өткізгіш технологиялар мен наноэлектроникада қолданылады. Бұл фотодиодтар, транзисторлар, күн батареялары [47, 48]. Фуллерен С60 жоғары электрлік қабілеттілікке ие, зарядты беру комплекстерін оңай қалыптастырады, онда ол электронды акцептор рөлін атқарады.
Акцептор ретінде орналасқан фуллереннен тұратын диодтар фотоактивті донорға ковалентті түрде байланған кезде, жарықтың әсерінен фотосинтезделген электронды ауысу жүреді [47, 49].
Фуллерендер антифрикциялық материалдардың құрамдас бөлігі ретінде қолданылады, салқындатқыш майға фуллерендердің қосылуы жылжымалы подшипниктердің үйкеліс коэффициентін төмендетеді және үйкеліс бетінде фуллерен-полимерлі пленканың пайда болуына байланысты үйкелістің тозуға төзімділігіне оң әсер етеді [50].
Алмаз пленкаларын өсіру үшін, фуллерендерді пайдалану тиімді бағыт болды. Қысқа толқынды сәулеленудің әсерінен С60 молекулалары С - С көміртек жұптарына ыдырайды. SiO2 бетінде шөгіп, олар кішкентай алмаз кристалдарын, ал олардың ішінде тегіс алмаз пленкаларын құрайды. Олар метаннан алынған пленкадан әлдеқайда жақсы. Алынған пленкалар машиналар мен механизмдердің қозғалатын бөліктерінің тозуға төзімділігін арттыру үшін қолданылуы мүмкін.
Ерітінділердің, полимерлердің, сұйық кристалдардың және фуллерендері бар шыны матрицалардың сызықтық емес оптикалық қасиеттері оларды оптикалық сәулеленуді шектегіш ретінде қолдануға мүмкіндік береді.
Қазіргі кезде, фуллерендерді аналитикалық химияда қолдану кең өріс алып отыр. Олардың негізінде сұйық және газды хроматография мен химиялық сенсорларға арналған жаңа стационарлық фазалар құрылды және жасалынуда. Модификацияланған С60 және С70 силикагелі полиароматикалық және хош иісті емес көмірсутектерді бөлуге ыңғайлы стационарлық фаза, ал таза С60 полиароматика мен алкилбензолды бөлуге арналған. С60 негізіндегі химиялық сенсорлар бірқатар иондардың анықтау шегін төмендетуге мүмкіндік берді [47].
Биомедициналық зерттеулер жүргізу үшін фуллерендерді суда еритін формаларға айналдыру керек. Көбінесе, бұл гидрофильді органикалық молекулалары бар кешендер, судағы фуллерендердің коллоидтық ерітінділері немесе гидрофильді функционалдық топтары бар фуллерен туындылары. Алғашқы екі тәсілдің кемшіліктері алынған фуллерендердің төмен ерігіштігі, органикалық еріткіш қоспаларының болуы, бар тұздардың салдарынан ағзаның биологиялық сұйықтықтарында төмен тұрақтылық болып табылады.
Қолдану тұрғысынан қарағанда, полярлық функционалдық топтары бар суда еритін фуллерен туындылары - гидроксильді, карбоксильді немесе аминотоптар анағұрлым перспективалы болып табылады.
Фуллеренол - бұл ең перспективалы фуллерен туындыларының бірі, өйткені, ол суда ерігіштігі мен уының болмауына байланысты биологиялық жүйелермен үйлесімді.
Суда еритін фуллерендер медицинада және косметологияда қолдануға арналған перспективті материалдар болып табылады, олардың басқа да түрлерінің бос радикалдарын алу тиімділігі күтіледі. Бұл өндірістік масштабта суда еритін фуллерендер синтезінің қол жетімді және қарапайым әдістеріне ерекше қызығушылық тудырады.
Фуллеренол деп аталатын полихидроксилденген фуллерен, қарапайым құрылымы бар, практикалық қолдануға ыңғайлы, ерітіндінің бейтарап рН және одан әрі модификациялау мүмкіндігі радикалдарды ұстап алу қабілетіне қосымша, суда еритін фуллерендердің ең перспективті өкілі болып саналады.
Бірнеше әдіс OH-тобының әр түрлі саны бар полигидроксилденген фуллерендерді синтездеумен белгілі. Осылайша, 12 немесе одан да аз OH-топтары бар фуллеренолдар өте аз ериді, ал 16 немесе 20-24 гидроксил топтары бар туындылар қажетті ерігіштікті көрсетеді. Алайда, зерттелген фуллеренолдардың көпшілігі гидроксил топтарының көзі ретінде NaOH-мен әрекеттесу нәтижесінде алынған, бұл ерітіндіде сөзсіз болатын натрий иондарын алуды қажет етеді. Көп рет хроматографиялық тазалау процедурасын қолданбай, натрий иондарының бөлу еңбекті көп қажет ететін міндет болып табылады. Бұл жұмыста суда 58,9 мгмл дейін ерігіштігі бар 36-40 гидроксильді топтармен фуллеренолдарды синтездеудің жаңа қолжетімді әдісі сипатталады, ол сутегі асқын тотығын ОH-топтың доноры ретінде пайдаланады.
Фуллеренолдарды тек дәрі-дәрмек жасау үшін қолданбайды. Сонымен қатар, термиялық өңдеу кезінде С60(ОН)х қасиетіне бос радикалдарға қосылуға және гель түзуге қабілеттілігі қосылып, табиғи каучуктың қартаю әсерінің азаюына әкелді, ол оған жұмыста фуллеренолдың қосылуымен түсіндіріледі, сондай-ақ фуллеренол қосылған кезде күшті нығайту әсері де байқалды.
Қазіргі уақытта, ғылыми әдебиеттерде фотодетекторлар мен оптоэлектрондық құрылғыларды, өсу катализаторларын, алмаз және алмаз тәрізді жабындыларды, өткізгіш материалдарды, сондай-ақ көшіру аппараттарына арналған бояғыштар жасау үшін фуллерендерді қолдану туралы айтылады. Фуллерендер жаңа қасиеттері бар металдар мен қорытпаларды синтездеу үшін қолданылады.
Фуллерендерді аккумулятор батареяларын өндіру үшін негіз ретінде пайдалануды жоспарлап отыр. Бұл батареялар, жұмыс принципі сутегі қосу реакциясына негізделген, көбінесе кең таралған никель батареяларына ұқсас, алайда, олар сутектің нақты мөлшерінен шамамен бес есе көп мөлшерде сақтау қабілетіне ие. Сонымен қатар, мұндай аккумуляторлар литий негізіндегі аккумуляторлармен салыстырғанда жоғары сапалы, аз салмақты, сонымен қатар экологиялық және санитарлық қауіпсіздігімен ерекшеленеді. Мұндай батареялар жеке компьютерлерді және есту аппараттарын қоректендіру үшін кеңінен қолданылуы мүмкін.
Полярлық емес ерітінділерде (көміртегі дисульфиді, толуол, бензол, көміртек тетрахлориді, декан, гексан, пентан) фуллерендердің ерітінділері, сызықтық емес оптикалық қасиеттерімен сипатталады, ол белгілі бір жағдайларда ерітіндінің мөлдірлігінің күрт төмендеуінде көрінеді. Бұл лазерлік сәулелену қарқындылығын шектегіш-оптикалық бекітпелердің негізі ретінде фуллерендерді пайдалануға мүмкіндік береді.
Фуллерендерді ақпараттың аса жоғары тығыздығы бар, есте сақтау ортасын құру үшін негіз ретінде пайдалану перспективасы пайда болады. Фуллерендер зымыран отындарына, майлау материалына арналған қоспа ретінде қолданылуы мүмкін.
Фуллерендерді медицина мен фармакологияда қолдануға көп көңіл бөлінеді. Радиоактивті изотоптары бар фуллерендердің суда еритін эндоэдральды қосылыстарының негізінде ісікке қарсы препараттарды құру идеясы талқыланып жатыр (Эндоедральды қосылыстар - бұл элементтің бір немесе бірнеше атомдары орналасқан фуллерен молекулалары). Фуллерен негізінде вирусқа қарсы және антивирустық препараттарды синтездеу үшін жағдайлар жасалып жатыр. Бұл проблемаларды шешудегі қиындықтардың бірі - фуллерендердің суда еритін улы емес қосылыстарын құру, себебі улы қосылыстар адам ағзасына қан арқылы жеткізілуі мүмкін, ол терапиялық әсерге ұшырайды.
Фуллерендерді қолдану олардың қымбаттығымен шектеледі, бұл фуллерен қоспасын алудың күрделілігімен және одан жеке компоненттерді бөлуден тұрады.
Нанотүтікшелер технологиялық қолдануының негізінде олардың жоғары меншікті беті (бір қабатты нанотүтікше жағдайында 1г 600 ш. м.-ге жуық) сияқты қасиеті жатыр, бұл оларды сүзгілерде және т. б. кеуекті материал ретінде пайдалану мүмкіндігін ашады.
Нанотүтікше материалы гетерогенді катализ үшін төсеніш ретінде қолданыла алады, ал ашық нанотүтіктердің катализ белсенділігі жабық нанотүтікшелер үшін ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.