Жоғарғы сипаттағы фулерендердің физикалық және химиялық ерекшеліктері, ғылымда және техникада қолданылуы
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
Ш.Ш.УӘЛИХАНОВ АТЫНДАҒЫ КӨКШЕТАУ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ
Физика – математика факультеті
Физика және ОӘ кафедрасы
Дипломдық жұмыс
Жоғарғы сипаттағы фулерендердің
физикалық және химиялық ерекшеліктері,
ғылымда және техникада қолданылуы
Орындаған:
050110 Физика бөлімінің студенті
Султанбек Қанат
Ғылыми жетекші: Мұхамедин С.М..
Дипломдық жұмысты қорғауға
жіберемін.
Кафедра меңгерушісі: Мухамедин С. М.
КӨКШЕТАУ- 2011ж.
Мазмұны
I.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
II. Негізгі бөлі
1. Фуллерендердің негізгі
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
5
1.1 Фуллерендердің электрлік
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2. Фуллерендер
құрылымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... .10
2. Фуллерендерді өндіру ... ... ... ... ... ... ... . ... .. ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... .19
2.1. С60 молекуласын
генерациялау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
19
2.2. Жоғары сапалы фуллерендерді
өндіру ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... 20
2.3. Фуллерендерді тазалау
әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 22
3. Фуллерендер термодинамикасы және олар қатысатын
процестер ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .27
3.1. Фуллерендер
химиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ...29
3.2. Фуллерендердің
ерігіштігі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 34
3.3. Фуллерендердің еріткіштердегі
ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .36
3.4. Фуллерендердің ерігіштігінің кластерлік
табиғаты ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
3.5. Еріткіштердегі фуллерендердің
диффузиясы ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..42
4. Фулерендердің композиттік материалдар алу үшін
қолданылыуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ...45
4.1. Қатты композитті фуллерендердің электрлік және механикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..49
4.2. Жаңа асқын
өткізгіштер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...50
4.3. Композитті фуллерендердің негізіндегі оптикалық
қасиеттері ... ... ... ..54
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 56
Қолданылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .57
Кіріспе
Соңғы уақыттарда композиттік материалдар полимерлі – көміртектік
нанотрубкалары (ПКНТ) арқылы жасалатын болды. Сондықтан полимерлі –
көміртектік нанотрубкалары (ПКНТ) синтезделетін нанотүтікшелер мен
фуллерендердің физикалық және химиялық қасиеттерін зерттеу өте актуалды
болып табылады.
Келешекте автоэлектрондық эмиссиялы (АЭ) өте жоғары мәнді тоғы бар
өндірістік эмиссиялық катодтарды жасауға қажетті наноқұрылымды
материалдарға жатады. ПКНТ негізінде осындай катод жасау проблемаларына
бүгінгі күні қызығушылық мол [1–5]. Бірақ, полимер матрицаның қоршамындағы
көміртекті нанотрубкалардың (КНТ) жұмыс істеу молекулярлық механизмінің
суреттемесі жеткілікті болмауының себебі тиімді, яғни бұл тиімділік АЭ-
катодтарын жасауға тұсау салуда. Бұл жерде, полимерлі матрицаның
функциясына байланысты бір өзекті аспектіні атап кеткен дұрыс. Кейбір
еңбектерде, матрица композициалық эмиттерде трубалардың кеңістіктегі
орындарының фиксаторы ретінде қабылданады [1]. Осы маңыздылықты ескере
отыра, біз полимерлі матрицаның функциясы одан да кеңірек екеніне көзіміз
жетеді. Мысалы [2] – де ПММА (полиметилмета-крилат)КНТ типті ПКНТ үшін
арналған 10 wt.% толтырғышында композиттің жылу өткізгіштігі екі есе
өседі. [3] – те ПСКНТ нанокомпозиті үшін арналған электр және реологиялық
перколяцияның молекулаүсті моделі қарастырылған. [4] – те Масс-
спектрометрикалық жұмыс диагностикасында... „полимер—КНТ“ шекарасында
композиттің механикалық қасиеттерін жақсарту барысында реттелген
макромолекуланың рөлі талданған . [5] – те полимерлік нанокомпозиттердің
көміртегісі бар нанотрубкалармен жасау принциптері қалыптастырылып,
қолдану мүмкіншілігі қаралады. Негізгі жұмыс полимерлік матрицада АЭ-
эмиссия режимінде КНТ функциясының молекулярлық механизмдерін анықтау үшін
жүргізілген. Көпке дейін, көміртегі екі кристаллдық құрылымды қамтыған,
яғни олар – алмас және графит [1].
Алмастың құрылымы кеңістікті құрылымды құрастырады, себебі
көміртегінің атомдары бір-бірімен күшті химиялық байланыста болып, біріне-
бірі жазықтықта емес, кеңістікте бағытталған. Графиттің құрылымы қабат –
қабат болып келген, әр атом бір жазықтықта орналасқан басқа атомдармен
күшті химиялық байланыс жасайды, ал көршілес атомдармен химиялық байланысы
өте нашар болады. Сондықтан, әр қабатты үзгеннен гөрі, көршілес орналасқан
қабаттарды үзіп алу жеңілге түседі.
Көміртегінің беткі құрылымдарын қалыптастыруға бейімделуі 80-ші
жылдардың екінші бөлігінде ашылған жаңа формулаларда – фуллерендерде және
нанотрубкаларда тіпті де байқалады [2-5]. Осындай тұтас көміртегінің беткі
құрылымы өзіндік материалдардың физикалық объектілер және химиялық жүйелер
сияқты ерекше қасиеттерімен байқалады. 1990 ж. фуллерендерге арналған
синтездеудің, бөлудің және жақсы тазалаудың тиімді технологиясын жасау
кезінде [6, 7] мыңдаған зерттеушілер, яғни физика, химия, материалдар тану
т.б. салалардың мамандары фуллерендерді зерттеу проблемасына тап болды. Әр
елдердің жүздеген лабораторияларында жұмыс істеген осы мамандардың
интенсивті күштерінің арқасында, фуллерендердің көптеген жаңа және қызықты
қасиеттері ашылды. Аталған қасиеттер фуллерендерді тек қана фундаменталды
ғылымның жаңа, тартымды объектісі ретінде ғана емес, сондай-ақ кеңінен
тарайтын қолданбалы өңдеулердің негізі ретінде пайдалануға мүмкіншілік
береді.
Негізгі бөлім
1. Фуллерендердің негізгі қасиеттері
1.1 Фуллерендердің электрлік қасиеттері
Фуллерендердің және фуллерен қамтитын жүйенің физика–химиялық
қасиеттеріне және потенциалдық қосымшалары туралы мәліметке қысқаша
тоқталайық.
Фуллерендердің электрлік, оптикалық, механикалық қасиеттері
конденсацияланған күйлерінде фуллерендердің қатысымен өтетін құбылыстардың
физикалық жағы молдау екенін көрсетеді, сонымен қатар осы материалдардың
электроникада, оптоэлектроникада, техниканың басқа салаларында да
пайдалануының келешегі мол. Кристалдық фуллерендер және пленкалар 1,2-1,9
эВ шектелген зонасының кеңдігі бар жартылай өткiзгiштер болып табылады
және оптикалық сәуле түсуінде фотоөткізгіш қасиетін қамтиды [8-11].
Фуллерендер кристаллдарда өте жоғары емес байланыс энергияларымен
сипатталынады, сондықтан осындай кристаллдарда бөлмелік температурада
фуллерен молекулаларының айналымын еріту және реттеу бағытына әкеліп
соғатын фазалық ауыспалықтар байқалады [12, 13]. Сiлтiлiк темірлердің
атомдарының С60 кристаллдары металлдық өткізгішті қамтиды және 19-33 К
температурада сiлтiлiк темірдің типіне байланысты жоғарғы өткізгіш күйіне
ауысады [14-17]. Жоғарғы өткізгіштің өлшемді температурасының көрсетілген
мәндері молекулярлы жоғарғы өткізгіштер үшін рекордты саналады. Жоғарғы
өткізгіштің одан да жоғары температурасы (60-100 К) жоғары фуллерендер
негізінде өте жоғарғы өткізгіштерде болуы мүмкін [18].
Органикалық еріткіштерде фуллерен ерітінділері ерекше физика–химиялық
қасиеттермен қамтылады. Мысалы, С60 ерітіндісінің температуралық
тәуелділігі толуолда, гександа және CS2 – те Т = 280 К деңгейінде
максималды өлшемін қабылдаған кезде, сипаттамасы монотонды болмайды [19].
Фуллерендер ерітіндісі сызықты емес оптикалық қасиеттермен сипатталынады,
бұл қасиет, әсіресе, оптикалық сәулеленудің кейбір өлшемді мәндерінде
интенсивті жоғарылау кезінде, еріткіштердің ашықтығы төмендегенде айқын
білінеді [20]. Осындай қасиеттер фуллерендерді, оптикалық құралдарды
интенсивті оптикалық сәулеленуден қорғайтын сызықты емес оптикалық
затворлар ретінде пайдалануға мүмкіншілік береді.
Фуллереннің табылуы жасанды алмастың синтезі саласында көптеген
мамандардың қызығушылығын тудырды. Алғашқы эксперименттер С76 пленкасы
көміртекті плазмадан жасалған алмаспен жалатқанда өте тиімді катализатор
екенін көрсетті. Кристаллдық фуллерендердің алмасқа өзгеруі, осы мақсатта
пайдаланылатын дәстүрлі графит жағдайымен салыстырғанда өте тиімді күйде
өтеді. Бөлмелік температурада аталған өзгеріс 20 ГПа қысымы кезінде өтеді
[22], ал сондай-ақ графит өзгерісінде 30-50 ГПа қысымымен, температураны
900 К шамасында ұстау қажет [23]. Қатты фуллеренді алмасқа ауыстыру үшін
қажетті қысым, температура өскен сайын төмендейді. Мысалы, катализатор
ретінде кобальт пен никельді қолданғанда және оларды 1200-1850 °С-ге дейін
қыздырғанда, 6,7 ГПа көлеміндегі қысым жеткілікті болады [24]. С60
кристаллдық фулеренін қатты сыққандағы аморфты алмастың синтезі туралы
жуырдағы эксперименттердің [25] нәтижесі үміттендіреді. Бұл арада ешқандай
қосымша қыздырудың қажеті жоқ екенін айтып кеткен жөн. Осылай алмас
құрылымының қатты сығу нәтижесінде қысымы ондаған гигапаскаль шамасына
жеткенде температурасы 2000 К–ге тең болады.
Фуллерендердің механикалық қасиеттерін зерттеу жұмыстарының нәтижесі
бойынша алғашқы эксперименттер, фуллерендер негізінде тиімділігі жоғары
қатты сылауды жасау үмітін дәлелдеді. Осы эксперименттер бойынша [1],
фуллеренді пленка жапсырылған қатты материалдардың бетінде үйкеліс
коэффициенті төмен болатыны анықталды.
Фуллереннің ашылуын мамандар органикалық химиядағы төңкерiстің
мүмкін болуымен байланыстырады. Көміртек атомдары өзара бірлік немесе қос
байланыста болатын фулерендердің молекулалары үш өлшемді аналогтағы хош
иісті құрылымдарға жатады. Олар жоғары деңгейде электр терiстiгін қамти
отырып, химиялық реакцияларда күштi тотықтырғыштар қатарына жатады.
Фуллерендер әр түрлі химиялық табиғи радикалдарды өз құрамына енгізіп,
түрлі физика–химиялық қасиеттері бар химиялық қосындыларды кеңінен
қалыптастырады. Осы жолмен жақын арада құрамындағы С60 молекулалары өзара
фуллерен кристалындағыдай Ван-дер-Ваальс байланысымен емес, химиялық қарым-
қатынаста болатын полифуллерен пленкасы алынған [27]. Майысқақ қасиеттері
бар бұл пленкалар, жаңа полимерлік материал типтеріне жатады. Платина
топтарының темірі бар радикалдардың С60-қа қосылуы [15], фуллерен
негізіндегі ферромагниттік материалды алуға мүмкіншілік туғызады. Жаңа
химиялық қасиеттер фулерендерде көміртек атомдарының бөліктерін темір
атомдарымен ауыстыру нәтижесінде құрылымдары құрастырылатын қосылуларды
байқауға мүмкіншілік береді. Осындай металлокарбон немесе меткарлар деп
аталатын қосылуларға Ti8Ci2, V8Ci2, Hf8Ci2, Zr8Ci2 сияқты қосылулар
жатады [19]. Мамандар фуллерендердің эндоэдралдық қосылуларының физика-
химиялық қасиеттерін зерттеу жұмыстарының нәтижесінен көп үміт күтуде [20].
Жақын арада макроскопиялық санауларда синтезделген осы қосылуларда бір
немесе бірнеше металл атомы, әлде басқа да элементтердің атомдары
фуллерендердің сфералық құрылымдарының ішіне орналастырылады. Фуллерен
негізіндегі қосылулардың әр түрлі физика- химиялық және құрылымдық
қасиеттері фуллерендердің химиясы туралы келешегі мол, органикалық химия
ретінде санауға болады, оның дамуы болжамсыз нәтиже беретіні анық.
Графит қабаттарын жартылай қыздырып қирату барысында жабық сфералық
немесе сфероидалық құрылымды фуллерендер молекулалары ғана пайда болмайды,
сонымен қатар беті дұрыс алтыбұрышты түрде жасалған ұзын түтікшелер де
пайда болады [4, 5]. Бұл түтікшелердің ұзындықтары бірнеше микрометр,
диаметрлері бірнеше нанометр болады, алынған күй-жағдайына қарай бір
немесе бірнеше қабаттардан құрастырылады, ұштары жабық немесе ашық болады.
Нанотүтікшелерге деген қызығушылық оларды жасаудың саны грамм ретінде
технологиясы шыққаннан кейін арта түсті [21-27]. Бұл қызығушылық алғашқы
нанотүтікшелермен жүргізілген эксперименттер нәтижесінде туып отыр.
Түтікшенің ашық ұшы ерітілген қорғасынмен қосылғанда капиллярлы эффектінің
әсерімен түтікше темірге толып, жіңішке изоляцияланған қабаты бар сымға
айналады [24]. Жоғары температурада түтікшені оттегімен өңдеу, бір қабатты
ашық ұшты түтікшелер шығаруға мүмкіншілік береді [25, 26].
Фуллерендермен, түтікшелермен эксперименттер жасау жалғасып жатыр,
осы салада жаңа жетістіктерге жетуге мүмкіншіліктер бар деп сенуге болады.
Фуллерендердің қасиеттерінің негізінде жасалған эксперименттер
нәтижелерінің тиімді коммерциялық пайдалануы туралы көптеген оптимизмді
болжаулар орындалып жатыр. Мысалы, 1994 жылы мамыр айында фуллерендердің
ірі масштабта электроникада қолданылуы туралы хабарланған [27]. Осы
хабарламаны таратқан Халықаралық өндірістік корпорациясы Мицубиши болатын,
фуллерендер аккумуляторлық батарейлердің өндірісінде қолданылады. Осы
батарейлердің жұмыс істеу принциптері сутегінің қосылу реакцияларына
негізделген, көбінде осындай металлогидридтік, никельдік аккумуляторлар
кеңінен таралған, бірақ аталған хабарлама бойынша ақырғыларының сутегіні
бес есе артық сақтайтын мүмкіншілігі бар. Бұл батарейлердің тиімділігі де
өте жоғары, салмағы аз, литий негізінде құрастырылған аккумуляторларға
қарағанда экологиялық, санитарлық жағынан қауіпті емес.
Фуллерендердің ішінде негізгі орынға С60 молекуласы жатады, ол өте
жоғары симметриясымен және тұрақтылығымен сипатталады. Осы молекуланың
құрылымы 1, 2 суреттерде көрсетілген.
Бұл молекула да футбол добының сыртына ұқсас және құрылымы дұрыс
үшкір икосаэдрға сәйкес, көміртегінің атомдары 20 дұрыс алтыбұрышты және 12
дұрыс бесбұрышты сфералық беттің бұрыштарында орналасқан, әр алтыбұрыш үш
алтыбұрышпен, үш бесбұрышпен көршілес, ал әрбір бесбұрыш тек қана
алтыбұрышпен көршілес болады. Осылай, С60 молекуласында көміртегінің әр
атомы екі алтыбұрыштың және бір бесбұрыштың бұрыштарында орналасқан,
көміртектің басқа атомдарынан тіпті принципті айырмашылықтары жоқ.
Сур.1. С60 және С7о фуллерен молекулаларының құрылымы [24]. Симметрияға
байланысты C60 молекуласында барлық атомдар біркелкі жағдайда, ал С70
молекуласында атомдардың бес түрлі позициялары бар.
Сур.2. Иондық дала микроскопы арқылы алынған С60 молекуласы құрылымының
суреттемесі [10]. Иненің үшында кернеу 10,7 кВ құрастырады, буферлі газдың
қысымы (Не) - 0,04 Па.
"Фуллерен" терминінің пайда болуы Букминстер Фуллер деген
американдық архитектордың атымен байланысты, ол осындай құрылымдарды
күмбезді ғимараттарды құрастырғанда қолданған. Бұл архитектура
құрастырылуы С60 фуллерен молекулаларының құрылымына ұқсас. Фуллерендер
конденсацияланған күйінде фуллериттер деп аталады, металлдық немесе басқа
да қоспалармен қосылған фуллериттер фуллеридтер деп аталады.
Тұтас бетті молекула формалас көміртегінің өмір сүру проблемасы С60
молекулаларын эксперименталды дәлелдегенше, баспасөздерде бірнеше рет
талқыланды (кара. [15-23]). Бірақ, фуллерендердің көзделген мақсатта
зерттелуі С60 молекуласының сиқыршылық санды атомымен кластер ретінде
тіркелген жұмыстарынан басталды [5-10]. Аталған зерттеу жұмыстарының
нәтижесі бойынша өте жоғары тұрақтылығын көрсететін С60 молекуласының
сфералық тұтас беті белгіленген. Сонымен қатар, тұтас сфералы формасы бар
С70 молекуласы өте жоғары деңгейде тұрақты екені көрсетілді. [3] Физика
үшін фуллереннің принципиалды жұмысының мәні келесіде, мұнда футбол добының
сыртына ұқсас С60 молекулаларының құрылымы ұсынылған. Осындай құрылымды
С60 жүйесі кластер емес молекула болып табылады және ол оның негізгі
қасиеттеріне әсер етеді. Осыған толығырақ тоқталайық.
Атомдарды қамтитын кластерлер қасиеттерін байқайық. Оның мынадай
параметрлері, яғни қосылатын атомның байланыс энергиясы, ионизация
потенциалы, электронға ұқсас энергиясы, электронды қоздыру энергиясы, еріту
температурасы т.б. атом сандарының монотондық функцияларына жатпайды. Бұл
параметрлердің, кластерде ең тұрақты атом конфигурацияларына сәйкес
сиқырлы санды экстремумдері бар. Көбінесе осындай тұрақты конфигурацияларға
толтырылған қабатты кластерлер жатады. Бірақ, атомның кеңістікті құрылымына
байланысты кластерде кластер А2п өзінің параметрлерімен нашар
байланыстағы Ап екі кластерлерден айырмашылығы бар. Бұл дегеніміз екі
кластерлердің Аn жабысуы А2п кластерінің қалыптасуына әкеледі және оның
қасиеттері Ап қасиеттерінен айырмашылығы бар.
Бұл аргументтер фуллерендерге жатпайды, себебі фуллерендердің
молекулаларында атомдар тұтас бетте орналасқан. Сондықтан әр түрлі
фуллерендердің атомдары арасындағы байланыстары бір фуллереннің көршілес
атомдарының байланысына қарағанда өте нашар. Осыған байланысты фуллереннің
екі молекуласының қарым-қатынасы атомдары кеңістікте орналасқан екі
кластердің қатынастарының жағдайындағыдай біріне-бірі жабыспайды. Бұл
жағдайда екі нашар қатынастағы фуллерен молекуласының жүйесі қалыптасады,
онда фуллереннің әр молекуласы өзінің жекешілігін сақтайды. Сол себепті
фуллерендер көміртегінің ерекше формасын қамтиды, графитке ұқсастығы көп
болса да графиттен де, алмастан да айырмашылығы бар.
Жоғарыда аталған ойлар көрсеткендей, С60 молекуласының құрылымы [3]
жұмысында да айтылғандай футбол добының сыртқы қабатына ұқсастығы туралы
болжамы өте маңызды, себебі осындай суреттеме фуллерендерді көміртегінің
жаңа формасына жекешелендірді. Сонымен, [3] жұмысы фуллерендерді зерттеу
барысына жаңа толқын берді. 1990 жылы дайындалып шығарылған жабайы және
тиімді макроскопиялдық сандарда фуллеренді өндіру технологиясының маңызы
өте зор [6, 9-16]. Бұл технология графитті фуллеренге өңдеу әдісіне
негізделген және C60-қа 1 г шамасында өнімділігін қамтиды, бұл кеңінен
зерттеуге жеткілікті. С70 фуллерен синтезінің өнімділігі бірқатар төмен,
бірақ бұл жағдайда да фуллерен С70 жұқа пленкаларды ғана зерттеуге емес,
сонымен қатар осы сортты молекулалардан жасалған поликристаллдарды да
зерттеуге жеткілікті санда өндіріледі. Сол кезде өткізілген
фуллерендердің зерттеу жұмысы оларды шығаратын технологиясын жасауға көмегі
тиді.
Спектрдің инфрақызыл салаласында C60 молекуласының жұтылуының төрт
сызығы жаңа технологияның қалыптасуы барысында индикатор ретінде қызмет
көрсетеді.
Фуллерендерді зерттеудің өте бір қызықтыратын жолы Крото болжамы
және басқа да болжамдар болып табылады [3], осыған байланысты диффузиялық
жолдардың қайнар көзіне ИК-диапазонында жұлдыздар арасындағы материяны
шығаратын фуллерендер молекуласы жатады. Бұл жолдар 60 жыл бұрын табылған,
бірақ қалай пайда болғаны әлі де анықталмаған. Газда С60 жұтылатын
спектрді өлшеуге бағытталған бірінші эксперименттер жобаны дәлелдемеді.
Артынан Крото [17] осы гипотезаны анықтады, ол диффузиялық жолдардың қайнар
көзіне С60 молекуласы емес С60 ионы жатады деген болжаумен зерттеген,
себебі жұлдыздар арасында оның бары дәлелділеу. Жуыр арада басылған жұмыста
[18] (және [19]), неонның кристаллды матрицасында орналастырылған С60
ионының жұту ИК-спектрі өлшемі аталған жобаны дәлелдегенге ұқсайды.
Фуллеренді зерттеу интенсификациясында, поликристаллдық C60-қа, 33 К-
нен төмен температураларда сiлтiлiк металлдардың қоспасыз болат атомдарында
байқалатын 1991 жылы өте жоғары өткізгіштік құбылысының ашылуы өзекті
рөлді атқарды [14-17, 20-22]. Бүгінгі күні осы қосылулар ең жоғары
температурадағы молекулалық жоғары өткізгіштерге жатады.
Казіргі уақытта, фуллерендерді зерттеуге арналған бірқатар шолу
жұмыстары басылған [23-27]. Бұл шолу жұмысының негізіне алдыңғы авторлардың
шолу жұмыстары алынған [9], ал соңғы екі жылдағы интенсивті зерттеу
жұмыстары осы мәселе туралы ұсынысын өзгертті. Осы шолу жұмысының мақсаты
– қаралатын мәселенің бүгінгі күнгі жағдайын суреттеу, қаралатын жүйелердің
жеке қасиеттерінің физикалық суреттемелерін талқылау.
1.2 Фуллерендердің құрылымы
С60 молекуласының геометриясы . C60 молекуласының құрылымы мотақ
икосаэдрдің құрылымына келеді. Әрі қарай біз осы құрылымды талдаймыз.
Икосаэдрдің өзі дұрыс геометриялық пiшiнді қамтиды, оның беті дұрыс
геометриялық пішінді 20 дұрыс үшбұрыштардан құралған [10, 11]. Бұл
үшбұрыштардың 12 жалпы төбелері және 20 жалпы тараптары бар. Икосаэдр
атомдарының қос байланыстары бар кластерлер үшін оптималды құрылым болып
табылады, себебі, мұндай құрылым атом аралығындағы байланыстардың
максималды санын қамтиды. Мысалы, инертті газдардың шамалы кластерлері
икосаэдр құрылымын қамтиды. Икосаэдрдің фуллереннен айырмашылығы, құрылымды
кластерлері көлемді толтырылады. Жабайы икосаэдр 13 атомнан құралған, оның
12 атомы бетінде орналасқан, біреуі ортасында орналасқан. Сонымен,
икосаэдрдің геометриялық фигура ретінде фуллерендерге ешқандай қатысы
жоқ. Ол фуллереннің С60 молекуласын модельдей алатын мотақ икосаэдр
фигурасының негізі болып табылады. Икосаэдрдің барлық төбелері дұрыс
фигура ретінде бір сферада орналасқан, ал сфераның радиусы R үшбұрыштың L
тарапының ұзындығынан әлдеқайда қысқа:
R = 0,951L. (1)
Икосаэдрді келесі әдіспен құрастырайық. Сфераның радиусы мен өсін
оның ортасынан сызайық. Өстің сферамен қиылысқан екі нүктесін икосаэдрдің
төбесі етіп аламыз. Сосын екі жазықты ±12 қашықтықта өсіне перпендикуляр
қылып өткізу керек. = 0,851L таңдап алып, сферамен жазықтың қилысындағы
шеңбердің радиусы ( = г) тең аламыз. Бұл шеңберлердің ішіне дұрыс
бесбұрыштарды саламыз және олардың проекциялары біріне-бірі бұрышта
орналасуы керек. Егер фигураның жақын нүктелерін қоссақ, икосаэдр құрылады.
Осы фигураның әр төбесінің жазықтықта бес көршілесі болады да қаралатын өсі
бесінші ретті өсі болып табылады, яғни оған қатысты -ке бұрылу
фигураны сақтайды. Икосаэдрдің ортаңғы ортадан және фигураның қарама-қарсы
төбелерінен өтетін алты симметрия өсі бар. Фигураның ортасынан және қарама-
қарсы үшбұрыштардың орталарынан өтетін икосаэдрдің 10 симметриялы өсі
үшбұрыш жазықтықтарына перпендикуляр болып келеді. Кез келген осы өсьті
бұру бұрышы фигураны сақтайды, ол өстері үшінші реттегі өстерге
жатады.
Икосаэдрдан фуллерен С60 молекуласын модельдейтін мотақ икосаэдрге
көшеміз. Ол үшін, икосаэдрдің әр тарапын үш біркелкі бөлшекке бөлетін және
икосаэдр ортасынан ортасы өтетін жаңа сфера құрамыз. Қиылысқан нүктелер
жаңа фигураның төбесі болады. Қиылысатын нүктелердің саны икосаэдрдің екі
еселенген тараптарына тең, яғни 60°-қа тең. Көршілес төбелерін қосып мотақ
икосаэдрді аламыз. Осындай операцияны басқаша ойлап жүргізуге болады.
Бастапқы икосаэдрдің тарапын үш бірдей бөлшекке бөлеміз және жақын
төбелерін қосамыз. Солай икосаэдрдің әр төбесінен дұрыс бесбұрышты пирамида
кесіледі, оның негізі дұрыс бесбұрыш болады. Осы операцияның нәтижесінде
икосаэдрдің бетінің әр дұрыс үшбұрышы мотақ икосаэдрдің бетінің дұрыс
алтыбұрышына айналады, оның тарапы а басты үшбұрыштың тарапынан үш есе кем
(а = ). Сонымен осы операция икосаэдрден 12 дұрыс бесбұрышты
пирамиданы кесіп алуға болады және қалыптасқан фигураны беті 12 дұрыс
бесбұрыштар, 20 дұрыс алтыбұрыштарды қамтиды. Мотақ икосаэдрдің барлық 90
тараптарының а ұзындықтары бірдей болады.
R' - сфераның радиусы деп белгілейміз, оның бетінде мотақ икосаэдрдің
төбелері орналасқан, h-сфераның ортасымен алтыбұрыштың ортасының аралығы
(немесе басты икосаэдрдегі үшбұрыштың аралығы) және h' — сфераның
ортасымен бесбұрыштың ортасының аралығы. Осы өлшемдер келесі байланыста:
R' = 2,478а, (2)
h = 2,261 а, (3)
к' = 2,Ъ21а. (4)
(1) формуладан байқағанымыздай, басты икосаэдрдің радиусы мен мотақ
икосаэдрдің тарапының байланысы келесі түрде көрсетілген:
R = 2,853а. (5)
Алынған байланыстар фуллерен С60 молекуласының құрылымын талқылауға өте
пайдалы.
Қарастырылған фигуралардың симметрияларының өте жоғары екенін атап
кеткен дұрыс. Икосаэдр сияқты фуллерен С60 молекуласын модельдейтін мотақ
икосаэдрде үшінші ретті он өстің симметриясымен сипатталады. Мұны былай
түсіндіруге болады, аталған өстердің айналасында бұрылу осы
фигураларды сақтайды. Үш ретті өстер икосаэдр жағдайында фигураның және
беттегі үшбұрыштардың орталарынан өтеді немесе мотақ икосаэдр жағдайында
фигураның және беттегі алтыбұрыштардың орталарынан өтеді. Одан басқа,
қаралған құрылымдардың әрқайсысы бесінші реттегі алты өсті симметриясымен
сипатталады. Икосаэдр жағдайында, бұл өстер фигураның ортасынан және оның
төбесінен өтеді, ал мотақ икосаэдр жағдайында олар фигураның ортасы мен
беттегі бесбұрыштардың ортасын қосады.
Көміртектің атомының электрон қабығы s2p2к көршілес атомдары
бесбұрыш пен алтыбұрышты қалыптастырғанда көміртектің оптималды құрылымын
қамтиды. Осындай құрылым табиғаттта кеңінен таралған катты көмірдің
модификациясында - алмас пен графитте кездеседі. Графиттің қыздырып
шашылу себебінен пайда болатын өте тұрақты көміртегі кластерлеріне де бұл
құрылым оптималды болады. Көміртегінің тұрақты молекулалары тұтас беттің
құрылымын қамтиды, оның бетінде көміртегінің атомдары орналасады. Бұл тұтас
бетті алты және бесбұрыштармен салынған. Алтыбұрыштың төбесінде орналасқан
көміртектің атомдары фуллереннің және графиттің құрылымдарының
элементтеріне жатады. Себебі фуллеренді жасайтын ең тиімді әдісі графитті
қыздырып бұзу негізінде қолданған, сонда фуллерен молекулаларының сфералық
және сфероидалы беттерін жасауға пайдаланған алтыбұрыштың өлшемі графит
құрамындағы алтыбұрыштың өлшемімен бірдей деп қорытындылауға болады. Әрі
қарай осы аталған аналогияны пайдаланып, осы позициямен C60 құрылымын
талқылаймыз.
Графит тараптары 0,142 нм және 0,335 нм қашықтығымен бөлінген, дұрыс
алтыбұрыштардан құрастырылған қабаттардан қалыптасқан [24]; және жақын
қабаттардың атомдары бірінің үстінде бірі орналасқан емес тұрақты керегенің
жартысына қарай ауысқан. Құрамында графиттегідей алтыбұрыш кіреді деп
болжай отыра, C60 фуллеренінің молекуласының радиусын есептейік. C60
молекуласына мотақ икосаэдр моделін пайдаланып, (2) формулаға сәйкес R =
2,48 а = 0, 35 нм, (а - көршілестердің қашықтығы) молекуланың радиусын
табамыз.
Алдында, C60 молекуласын мотақ икосаэдрмен модельдеп, біз фуллерен
молекуласындағы барлық байланыстарды баламалы деп есептедік. Соған сәйкес
осы модельдің көлемінде олардың бәрі графит қабатының байланысының
ұзындығындай біркелкі ұзындықтары болады. Нақтылықта C60 құрылымында екі
типті байланыстар бар, біреуі (екі жақты) екі алтыбұрыштың орта тарапы
болады, ал екіншісі (бір қабатты) бесбұрыш пен алтыбұрыштың ортақ тарапы
болады.Әр түрлі эксперименттердің нәтижелері бойынша [25-27] аталған
байланыстардың ұзындықтары 0,139 ± 0,001 және 0,144 ± 0,001 нм-ге тең.
Сондықтан, C60 құрамын құрастыратын алтыбұрыштар бірқатар дұрыстардан
айырмашылықтары бар және жоғарыда көрсетілген фуллерендердің мөлшерлерінің
бағасы 1-2 %-ға дейін анық.
C60 молекула радиусының толығырақ мәні рентген құрылымының
сараптамасы бойынша [15] 0,357нм-ді құрастырады. Сонымен қатар, С60
молекуласында көміртегінің барлық атомдары бірдей жағдайда болады, сол
себепті әр атом бір уақытта екі алтыбұрышқа және бір бесбұрышқа жатады. Бұл
13С изотопын қамтитын C60 молекуласының ядро магниттік резонанс
спектрлерінің түрлерімен дәлелденеді. C60 таза түрінде бұл спектр бір
резонансты қамтиды.
Графит құрылымының және С60 фуллерен молекулаларының жалпы
элементтері графиттің жіктелу барысында фуллереннің қалыптасу жолдарын
анықтайды. Графитті сабырлау қыздырғанда қабаттарының арасындағы
байланыстар үзіледі және бөлінетін қабаттары жеке бөлшектерге бөлінеді. Ол
бөлшектер алтыбұрыштардың комбинациясына жатады, әрі қарай олардан
кластерлер құрастырылады. Бөлшектерден фуллерен молекулаларын
қалыптастырудың әр түрлі әдістерін ұсынуға болады (сур. 3). Қарастырылған
С60 молекуласын жабайы әдіспен құрастыру үшін, 60 атомдарды қамтитын 10
алтыбұрышты алып, тұтас құрылымға біріктіру керек сияқты. Бірақ, ол үшін
кейбір алтыбұрыштарды бөліп кесу керек. Тұтас бет тек қана алтыбұрыштардан
құрастырылмайтын себептен C60 фуллерен молекуласы қалыптасатын бөлшектер
кіші өлшемде болулары қажет. Мысалы, оны алты біріне-бірі байланысты емес,
әрқайсысы он атомнан қамтылған екі қабатты алтыбұрыштардан құрастыруға
болады. Осы С60 фуллерен молекуласын жинаудың жабайы әдісіне жататын
сияқты.
Сур.3. [18, 19] графит фрагменттерінен С60 молекуласын синтездеудің мүмкін
жолы. А – графиттің фрагменті, ол С60-фуллеренін жартылай синтездеуде
негіз болады, графит фрагментінен көміртегінің тұтас кластерін жасауға
мүмкін болатын әдіс.
Екі фрагменттің қосылуы көрсетілген. Үлкен фрагмент жеті алтыбұрыштан
тұратын (30 атомнан), көлемді құрылымға жинақталады да сызық жолдары
бесбұрыштың сол жақтағы тарапын жабады. Әрі қарай екі алтыбұрыштан құралған
(10 атомнан), үлкен фрагмент пен алтыбұрышты ( стрелкамен жабылады) және
екі бесбұрыштар (сызық жолдарымен жабылатын) қалыптастырады. Осындай
әдіспен осы фрагменттерден С60 кластерінің жартысы жасалынады, онда 40
атом және өзінде алты тұтас бесбұрыш, он тұтас алтыбұрыштар бар. С60
фуллеренін осы фрагментке екі қабатты алтыбұрышты қамтитын тағы екі
фрагмент қосу арқылы жасауға болады.
Осындай әдісті модифициялауға болады, егер екі қабатты алтыбұрыштары
бар молекулаларды фрагменттен жинаса. 3-ші,а-суретте осындай фрагменттің
бірі көрсетілген. С60 молекуласын осындай екі фрагменттерден синтездеуге
мүмкін әдісінің бірі 3-ші,б-суретінде көрсетілген. Көрсетілген фуллеренді
жинау механизмі авторлармен ұсынылған [8]. Әрі қарай бұл әдіс басқа
жұмыстарда дамыған [7].
Фуллерендер құрылымының тікелей бақылануы даладағы ионды микроскоптың
жетілдірілуі нәтижесінде мүмкін болды [8, 9]. Бұл құрал кеңістікте кейбір
молекулаларды құрастыратын жеке атомдардың орналасуымен зерттелетін
молекуланың маңайында біркелкі емес электр өрісінде буферлік газдың
атомдарының автоионизациалау құбылысын пайдаланып, бір жерге шоғындыруға
ыңғайлы. 2-ші суретте осылай алынған С60 молекуласының суреттемесі
көрсетілген [20].
8,, -- ^8
7 . \ 7
6 Л Полюс \6
\5 7 \7 5
6 \ 6
5
\6 6
4
4
4
4
3
\2 2
1
3
2
2
-Экватор
2Ч о 2 2\ , '2
\ _ 3_ j ч .5
Сур. 4. С7о молекулаларының құрылымы мен байланыстары.
Таблица 1 .
Байланыс Берілген Байланыс Байланыс ұзындығы, нм
саны типтің категориялары
байланыс саны
1 5 алтыбұрыш- 0,1250,001
алтыбұрыш
2 20 алтыбұрыш- 0,139 ±0,001
алтыбұрыш
3 10 алтыбұрыш- 0.1470,001
бесбұрыш
4 20 алтыбұрыш- 0,146 ±0,001
бесбұрыш
5 10 алтыбұрыш- 0,137 ±0,001
алтыбұрыш
6 20 алтыбұрыш- 0,147 ±0,001
бесбұрыш
7 10 алтыбұрыш-алтыбұры0,137 ±0,001
ш
8 10 алтыбұрыш- 0,1464 ±0,0009
бесбұрыш
С70 молекуласының әр түрлі типтерінің сипаттамасы
С70 молекуласы С60 молекуласынан сфераның экватор жағына он
атомнан құрастырылған көміртегін енгізіп, әрі қарай созу арқылы шығарылған.
С70 құрылымы туралы осындай түсініктеме осы молекуланың ЯМР спектрінің
түріне сәйкес берілген, оның спектрі С60-тың спектірінен айырмашылығы, ол
бес пиктен тұрады.
С70 молекулаларының геометриялық параметрлері С70 молекулаларында
газ күйінде серпiмдi шашырату кезінде электрондар энергиясының жоғалту
спектрлерін өлшеу негізінде қайта орнына келтірілген [11]. Осы молекуланың
атомдарының арасындағы байланыстарының жалпы саны 105, олардың ішінде
байланыстардың әр түрлі сегіз топқа бөлінген, олардың ұзындықтары 1-ші
таблицада берілген. 1-ші таблица бойынша байланыстардың ұзындықтары
0,146нм-ге жақын. Бұл байланыстар бесбұрыш пен алтыбұрыштың шеттерінде
орналасқан және екі алтыбұрыштарды қосады. 5-ші және 7-ші байланыстар екі
алтыбұрыштардың шетінде орналасқан және екі бесбұрыштарды қосады. Ол
байланыстардың ұзындықтары 0,137 нм-ге жақын. 1-ші және 2-ші байланыстар
екі алтыбұрыштардың шетінде орналасқан. Олардың ұзындықтары 0,14 нм-ге
жақын, өзінің табиғи түрлері графиттегі көміртегінің атомдар арасындағы
байланыстарға ұқсайды (ұзындығы 0,142 нм). Осылай, С70 молекуласында
белгілі бір симметриямен сипатталатын сегіз әр түрлі байланыстар болса да,
бірінші болжамда бұл байланыстарды фигуралардың типтеріне қарай оларды не
қосатын не бөлетін үш топқа бөлуге болады. Бұл жобада С70 молекуласында
үш байланыс ұзындықтары болады. 1-ші типті байланыс бесбұрыштың жақын
орналасқанымен өзгерілмеген. Ол байланыстың ұзындығы (0,141 + 0,003(-
0,001) нм) графиттікімен тіпті ұқсас келеді (0,142 нм). 2-ші типті
байланыс С70 экваториалының маңайында бесбұрыш пен алтыбұрыштың төбелерін
қосады, ұзындығы 0,139 ± 0,001 нм, байланыстардың ұзындықтарының аралығы
екі алтыбұрыштардың және екі бесбұрыштардың төбелерін қосады, ұзындықтары
жоғарылардағыдай.
С70 молекуласының биіктігі, бесбұрыштың қырларының араларының
қашықтығы ретінде белгіленетін, екі қарама-қарсы перпендикулярлы салада
орналасқан тұрақты молекулаға арналған 0,780 ± 0,001 нм-ді құрастырады.
Экваториалды дөңгелектің, көміртегінің атомдарының ортасынан өтетін
диаметрі 0,694 ± 0,005 нм-ге тең. Бұл өлшемді 3-ші типті байланыспен
қосылған, яғни экваториалдық жазықтан бір қабат көлемінде ілгері тұратын
дөңгелектің диаметрімен салыстырып (0,699 ± 0,005 нм), авторлар [8] С70
молекулаларының құрылымы экваториалдық жазықты тартылуымен сипатталатыны
туралы қорытынды жасаған, бірақ нақты мәліметтер ретінде бұл қорытынды
пайдалануға жарамайды.
С70 молекуласының симметриясы С60 молекуласына қарағанда өте
төмен. Егерде оның атомы эллипсоидтың айналымының бетінде жатыр деп
есептесе және полярлық қалпағын, симметрия жазықтығына перпендикулярлы
бесбұрыштар қалыптастырады, ал С70 молекуласы бесінші реттегі бір өсті
симметриямен сипатталады, бұл ось эллипсоидтың үлкен өсімен бірдей болады.
Осы симметрия өсіне айналы жазықты қосу қажет, ол жазық осы өсіне
перпендикулярлы және фигураның ортасынан өтеді және осы симметриядан
шығатын тиісті инверсия симметриясын да қосу қажет.
С70 молекуласымен салыстырғанда С76 (сур.4), фуллерен
молекуласының симметриясы тіпті де төмен болады. Осы молекуланың ЯМР-
спектрі 19 әр түрлі интенсивтері біркелкі сызықтарды қамтиды. Бұл С76
молекуласында көміртегі атомдары 19 әр түрлі орында болатынын көрсетеді
және осы 19 топтың әрқайсысы 4 атомнан құрастырылады. С76 молекуласының
беті 12 бесбұрышпен және 28 алтыбұрыштармен салынған.
Осындай молекуланы шығаруға болады, егерде екі полярлы қалпақтары
С60 бесбұрыштар айналасында алтыбұрыштар түрінде, кезекпен бесбұрыштармен
және алтыбұрыштармен қоршап, содан кейін, бесбұрыштарды байланысудан
бірінен-бірін алтыбұрышпен қорғап бір-бірімен қосу керек. Тағы қос-қостан
алтыбұрышпен бесбұрышты қосқанда нәтижесінде тұтас құрылым шығады. 5-ші
суретте С76 молекуласының құрылымы көрсетілген молекула симметриясының әр
үш өсіне перпендикулярлы бағыталған. Симметрия өсінің бойына қарай
бағытталған С76 молекуласының өлшемі 0,879нм, 0,764 нм-ге және 0,668 нм-ге
тең.
Сур.5. С76 молекуласының құрылымы симметриясының әр үш өсіне
перпендикулярлы бағытталған. Әр дөңгелекшелер құрылымдағы атомның әр түрлі
орнына сәйкес болады.
Көміртегінің құрылымы туралы қосымша ақпарат Сn көміртегінің зарядталған
кластердің қозғалысының сараптамасынан алуға болады [23-26]. 6-шы суретте
көрсетілгендей осындай байланыстардың бірқатары байқалады, сондықтан п
кластерінің бір өлшеміне бірнеше қозғалыс сәйкес келеді. Бұл бірнеше әр
түрлі изомер формалы кластердің Сn бар екенін дәлелдейді және бірдей п-ге
арналған әр түрлі қозғалыстар сәйкес келеді. Бұл көміртегінің кластерлік
иондарының әр түрлі құрылымдарының топтарын көрсетуге мүмкіншілік береді.
Осы байланыстардың монотонды сипаттамалары осы формадағы кластердің
өлшемін атом саны өзгеруіне қарай, ақырын өзгертуі қажет екенін көрсетеді.
7 қисық сызықтармен біріктірген қара нүктелер Сn кластердің сызықты
құрылымына сәйкес. Осындай құрылым 3 п 10 шамасында тұтандырылады. [13]
сараптаманың нәтижесі бойынша 2-ші қисық сызықша жазық тұтас құрылымды
кластерлерге сәйкес келеді және олар 6 п 36 шамасында тұтандырылады.
Әрине Сn изомерінің қозғалатын бөлігі, құрылымы тұтас циклды, сызықты
құрылымды кластерге қарағанда, атом сандары бірдей болған жағдайда
қозғалысы жоғары.
20
5
015
40
п
10
30
50
60
20
.
Cур. 6. Не-да Сn кластерлердің қозғалысының өздерінің п өлшеміне байланысы
[23-26]. Қозғалыс мәндері нормалды күйлеріне келтірілген.
3-ші қисық сызығы 21-ден 61-ге дейін, әжептәуір 2-ші қисық сызыққа
жақын. Ол авторлармен екі тұтас циклді қалыптарды қамтитын жазық тұтас
кластер құрылымына жатқызылады. 4-ші қисық сызықтар кластерлерді
біріктіретін 30 п 61 фуллерендерге және көлемді тұтас құрылымды
кластерлерге жатады. Бұл қозғалысының шамасы атомдарының саны бірдей
және құрылымдары жазық кластерлер қозғалысынан әлдеқайда артық болуына
байланысты. Сондықтан 6-шы қисық сызықтардың кластерлері жинақы болулары
қажет. 6-шы суретте Cn кластерінің шамамен 4-ші қисықта жататын қозғалысы
көрсетілген. Аталған заңдылықтар көміртегінің теріс иондарына жатады.
2. Фуллерендерді өндіру
2.1. С60 молекуласын генерациялау
Фуллерендерді шығарудың ең бір тиімді әдісі алдында қаралған фуллерен
молекуласын жинау схемасына сәйкес графиттің қыздырып жіктеуінде
негізделген. Фуллерен молекулаларын генерациялаудың оптималды жағдайында
графитті қыздырылуы саябырлау болса, оның ыдыраудан пайда болған өнімі
фуллереннің молекулаларының құрылымының элементтерінің фрагменттеріне
жатады. Бұл жерде графиттің қабаттарының байланыстары үзіледі, бірақ
буланатын көміртегі жеке атомдарға бөлінбейді. Буланатын графиттер,
алтыбұрышты көміртегі атомдарының конфигурациясын қамтитын жеке
фрагменттерден тұрады. Осы фрагменттерден С60 молекуласы, басқа да
фуллерендер жинақталады. Фуллерендер шығарылғанда графитті жіктеу үшін
графит электроды электрлі қыздырғышы [14] және графит бетін лазермен
сәулелендіруі қолданылады [22]. Бұл процесстер буфер газы ретінде
пайдаланылатын гелиймен жүргізіледі. Гелийдің негізгі рөлі фрагменттерді
суыту, олардың тербелісті қоздырулары жоғары деңгейде болуы тұрақты
құрылымдардың бірігуіне кедергі жасайды. Оған қоса гелий атомдары,
фрагменттер бірігу барысында шығатын энергияны өздерімен алып кетеді.
Басқа буферлі газдардан гелийдің артықшылығы молекулалардың тербеліс
қоздыруларын тез басады. Көміртегінің фрагменттерін жоғары қысымда
агрегациялау буферлі газдың қысымы оптималды болмаса қиынға түсер еді.
Тәжірибелердің көрсетуі бойынша гелийдің оптималды қысымы 50-100 тор
диапозонында болады.
Графитті қыздырып жіктеу өнімінен ( фуллерені бар күйе) фуллерендерді
экстракциялау және фуллерендерді сепарациялау және тазалау ыңғайлы және
кеңінен тараған әдісі ерітінділерді және сорбентті пайдалануға
негізделген. Бұл әдіс алғашқы рет [6, 14-16] жұмыстарында қолданылған және
бірнеше кезеңнен тұрады. Басында фуллеренді күйе полярлы емес ерітінді
арқылы өңделеді, оған бензол, толуол, басқа да заттар қолданылады. Аталған
ерітінділерде тез еритін фуллерендер ерімейтін фракциядан бөлінеді, олар
фуллеренді күйеде 70-80 % шамасында болады. Фуллерен ерітінділерінің типті
мәндері, синтезге пайдаланылады және олар мольді процентінің бірнеше оннан
бір бөлігін құрастырады. Фуллерендердің ерітінділерінің санды мәліметтері
әр түрлі еріткіштерде 4-ші таблицада көрсетілген. Буландыру арқылы алынған
фуллерен ерітінділерінен қара поликристаллды ұнтақ шығады, олар әр түрлі
фуллерен қосындысы болады. Осындай өнімнің типті масс-спектрі [6]
көрсететіндей 80-90%-дан фуллерендер экстрактары бар - С60 және 10-15 % -
дан С70. Одан басқа шамалы көлемде жоғары түрдегі фуллерендер бар, олардың
экстрактан жасалуы күрделі техникалық мәселе.
Экстракт құрамына кіретін фуллерендерді сепарациялау сұйық
хроматография идеясында негізделген. Фуллерен экстрактары ерітінділердің
бірінде ерітілген сорбенттен жіберіледі, ол үшін алюминий, активті қара
көмір немесе жоғары сорбционды сипаттамасы бар басқа материалдар
қолданылады.
Фуллерендер осы материалмен сорбитталанады, сосын одан таза
еріткішпен экстрагираланады. Экстракцияның тиімділігі сорбент-фуллерен
ерітіндісінің алалас белгіленеді, белгілі бір сорбентті немесе еріткішті
пайдалануы фуллерендердің типтеріне байланысты [25]. Сондықтан сорбенттен
фуллеренмен сорбитталанып өткізілген еріткіш сорберенттен кезекпен әр түрлі
фуллерендерді экстрагациялайды, олар бірінен-бірі тез бөлінеді. Фуллерені
бар күйенің электрдоғалы синтезі және сорбентпен еріткіш арқылы бөлінуіне
негізінде суреттемесін алу, сепарациялау және фуллерендерді тазалау
технологиясының әрі қарай дамуы, С60 бір сағатта бір грамм көлемінде
синтездеуге арналған құралды жасауды талап етті [7, 16]. Мысал ретінде [7]
фуллеренді өндіретін құралдың схемасын қараймыз. Камерасы цилиндр формалы
сумен суытылатын қабатымен жасалған, ішінде екі графит электродтары бар.
Біреуі жазық дөңгелек, екіншісі қайралған сырық , ол жұмсақ серіппемен
дөңгелекке бастырылады. Доға разряды осы екі электродтардың арасында
жағылады да сырықты шашыратады. Серіппенің керілісі негізгі берілетін қуат
сырықта емес доғаға шығатындай реттеледі. Камера 100 тор көлеміндегі
қысымда гелиймен толтырылады. Разрядтың параметрлері келесі: ауыспалы
тоқтың күші 100-200 А, электродтардағы кернеу 10-20 В. Графит сырығының
булануының жылдамдығы 10 г ч-1 шамасында разрядпен қамтылады. Доға бірнеше
сағат жанғаннан кейін жез қабаттың суытылатын бетіне көміртегінің күйесі
жағылады, сосын оны ақырын қырып алып үш сағаттай қайнаған толуолға
салынады. Осылай пайда болған қоңыр-сұрғылт сұйық зат айналатын буландыру
құралына буланады, нәтижесінде қара ұнтақ шығады, салмағы басты көміртегі
күйесінің салмағынан 10 % құрастырады. Спертралды сараптама көрсететіндей,
бұл ұнтақ толығынан С60 және С70 фуллерендерден 10 : 1 көлемінде
құрастырылған. Сонымен суреттелген технология C60 және С70 фуллерендерді
граммдар көлемінде шығаруға жағдай туғызады. Процесстің параметрлері мен
қондырғыштың конструкциясының өзгеруі процесстің тиімділігінің және өнім
құрамының өзгеруіне әсер етеді. Кейбір суреттелген технологияның [27]
осындай модернизациялануы көмір конденсатын алуға мүмкіншілік береді, оның
толуолдың ерітіндісінен шығуы таза, фуллереннің басқа ешқандай қосындысыз
C60 – ты жасайды. Бұл жерде электрод ретінде екі ұшталған, біріне- бірі
ұшымен қаратылған графит сырықтары және өте төмен энергия салымдары(кернеуі
5-8 В, тоқ 100-180 А), жоғары қысымды гелий (180 тор) қолданылады.
Қондырғыштың өнімділігі таза C60 50 мг ч-1.Өнімнің жоғары сапасы масс-
спекторлық өлшемдермен, диагностикамен, ядро-магнитті резонанс әдісімен
анықталады.
2. Жоғары сапалы фуллерендерді өндіру
Егер таза С60-ты жасап алу үшін электр доға разрядын қолдануымен
шектелуге болады, жоғары сапалы фуллерендерді шығару үшін, сұйық
хроматографиямен негізделген күрделі экстракция процесін қажет етеді [8].
Бұл әдіс C60-ты С70 – тен [8] бөлуге ғана емес және жиі кездеспейтін С76,
С84, С90 және С94 фуллерендерді жинақтауға пайдаланылады. Бұл процесстер
C60 фуллеренді шығару процесімен қатар жүргізіледі, оның бөлектелінуі
жоғары сапалы фуллереннің қоспасын байытуға мүмкіншілік болады. Мысалы,
[9]жұмыста көмір электр доғасының әсерімен конденсатынан графит электродын
қыздырып буландыру арқылы таза фуллерен С60 гексанмен толуол 95 : 5
шамасында қоспасымен өнделіп алынған. Осылай таза C60 жуылып шығарылған.
Еріткіште толуолдың көлемі 50 % - дейін таза С70 шығарады, әрі қарай
көбейгенде төрт сары фракциялар шығады. Бұл фракцияларды алюминий бетінде
қайта хроматографиялау жеткілікті таза фуллерендерді С76, С84, С90 және
С94 алуға мүмкіншілік береді. Аталған фракциялардың біріншісі алюминий
бетінде адсорбияланған гексанмен толуол 95 : 5 шамасында қоспасы С70
молекуласын толығынан ерітеді. Қалған сарғылт конденсат толығынан С76
молекуласынан құрастырылған, мұны сұйық хроматографиялық талдаудың
мәліметтері дәлелдейді.
Жоғары қысымды сұйық хроматография жоғары сапалы фуллерендерді
шығарудың ең сенімді әдісі. Жоғары сапалы фуллерендердің С76, С84, С90 және
С94 салмақтарының үлесі С60 және С70, шығаруға қолданылатын бастапқы
көміртегі конденсатында 3-4%-дан аспайды. Осы әдіс конденсаттан С60 және
С70 фуллерендерді жуып алып, осы әдіспен белгілі құрамда миллиграмм
өлшемімен жоғары фуллерендер шығатын экстракты алуға болады. Фуллерендерді
бөлетін және фуллерен қосындысы бар күйе ерітіндісінің қайнау күйінде [10,
11], хроматографиялық әдістің әрі қарай модернизациялануы бірқатар
ерітіндінің шығынын қысқартады және фуллерендерді тазалау деңгейін
жоғарылатады.
Фуллерендерді сепарациалау және тазалау хроматографиялық
технологиясының біраз жетістіктері болса да жоғары фуллерендерді
макроскопиялық санда алу, конденсатты күйінде олардың қасиеттерін жан-
жақты зерттеу мәселесі әлі толық шешілмеген. Ең жақсы хроматографиялық
қондырғыштардың өнімділігі сағатына бірнеше миллиграммнан аспайды, нақты
зерттеуге жетіспейтіні байқалады. Жоғары фуллерендердің (С76, С84) құны
әлем нарығында бір грамы мың доллар тұрады, сондықтан ғылыми
лабораторияларда алу өте қиынға түседі. Соған байланысты, бүгінгі күні
жоғары фуллерендер шығаратын жаңа арзан әдістер іздестірілуде. Жуырда
басылымда шыққан жұмыстар зор сенім білдіреді, мұнда электдоғалы және
жоғары фуллерендердің сұйық күйін қосуға тырысуда. Бұл жұмыста фуллереннің
толуол мен бензолда ерітіндісі, тиісті еріткіште графит электродының
доғасынан тұрақты тоқтың разрядын өткізу нәтижесінде жасалынады.
Масс-спектрометриялық талдауы бойынша еріткіш СSO кластерімен
толтырылады, атомының саны 4 тен 76-ға дейін өзгеретін. Гелийдің
атмосферасындағы масс-спектра электротермикалық графиттің жіктелуі, аталған
масс-спектрінде С60 фуллерені көп емес. Cso кластері де ең жоғары
концентрациясымен сипатталады, олардың саны C60 фуллерендерінің санынан 3-
8 есе көп. Ал, жоғары фуллерендердің концентрациясы п 60 –тан бастап C60-
концентрациасының санына тең. Бұл жағдай жоғары фуллерендерді өндіруді C60-
қа тиісті деңгейіне дейін жеңілдетуге және құнын төмендетуге мүмкіншілік
береді.
Графиттің құрылымында фуллерендердің құрылымына көп ұқсастығы
болғандықтан, ол фуллерендерді шығаруда ең бір оптималды материалдарға
жатады. Бірақ фуллерендер басқа да көміртегінің материалдарынан да
алынады. Мысалы, пиролизде бірқатар көміртегінің қосылулары температурасы
370-500 °С [14] алынған С60 сұйық кристалды мезофазалар [13] қайнар
көзінде қолданылады. [13] жұмысында пайдаланған сұйықкристалды мезофаза
сағыз сияқты материал — 2,5 сағат ішінде сутегінің қысымы ~ 100 атм
шамасында көгілдір көмірдің үздіксіз гидрогенизацияның нәтижесіндегі
өнімі болып табылады. Камерада 400 °С температурада жеңіл фрагменттер
ұшып кеткеннен кейін төмен қысымымен, 92,7 % көміртегі, 4,8 % сутегі, 1 %
азот және 1,5 % оттегінен құралған хош иісті 0,82% мезофаза қалыптасқан.
Мезофазаның беті лазер сәулесі түсуі құрамында көп C60 бар ұшатын
фракциялар пайда болады. Көмірдің пиролизін және құрамында көміртегі бар
қосылулар фуллерендерді шығарудың келешекте бір өндіріске қажетті бағыты
болып табылады.
Фуллерендерді шығару мәселесінде дәстүрлі емес, дәстүрлі емес
үйренуге орында мысал ретінде жақын арада шыққан Р. Тейлордың және
басқаларының жұмыстарын жатқызуға болады [15]. Бұл жұмыста, нафталиннің
пиролизі нәтижесінде, C60-тың тиімді синтезінің мүмкін екені көрсетілген.
Нафталиннің пиролизі пропан горелкасымен қыздырылған 1300 К кремний
түтікшесінде жасалған. Пиролиз өнімдерінің масс-спектрлі сараптамалары С60
фуллеренінің ( процент шамасында) көлемі әжептәуір екенін көрсетеді. Одан
басқа, пиролиз өнімдерінің масс- спектрлі зерттеу C60 синтезінің механизмін
және басқа да фуллерендерді қайта орнына келтіруге жағдай туғызады.
Нафталлин молекуласы, формуласы СШН8, көміртегінің екі хош иісті
дөңгелегінен құралған және жоғарыдағы жұмыстарда [18 19 көрсетілгендей C60
молекуласына синтездеуге даяр элемент болып табылады. C60 молекуласын
синтездеу әдісі екі қабатты хош иісті дөңгелегі түрінде осы мақаланың 3-ші
суретінде көрсетілген. Фуллерен өндірісіндегі технология саласында ақырғы
кездегі жетістіктер [16, 17] басылымдарда басылып шығарылған.
2.3 Фуллерендерді тазалау әдістері
Фуллерендер қалыптасуы және өнімді детективциялау туралы нақты
ақпараттар спектралды талдаудың негізі ретінде пайдаланылады. Ол сонымен
қатар фуллерендерді салыстыру әдісіне де жатады. Мысалы, C60 молекуласын
жұтатын инфрақызыл спектріне кедей осы молекуланың симметриясының
жоғарылығының тікелей белгісі, ақырында оның құрылымының айқын дәлелі [6,
14 18]. C60 молекуласын жұтатын ИК-спектрінде төрт мықты жұту сызықтары
бөлінеді энергия орталығымен 1429, 1183, 577 және 528 см-1 және
диапазонда 3-10 см"1 өзгертілетін көлденеңінің ұзындығымен. Егер фуллерен
молекуласы атмосферада шамалы көлемде болса, олардың барлығы осы жұтатын
жолдармен қабылданады. Нақты осы факті фуллерендер өндірісінде бүгінгі
күннің жаңа технологиясын шығаруда басты рөлді атқарды, себебі авторлар
шаңды жұту спектрінде екі өркешті құрылымды байқап, оны күшейтуге
тырысқан. Егерде фуллерен 13С изотопынан тұратын болса, жұту жолдары
қызыл салаға қарай жылжиды. C60 фуллереннің ИК-жұту спектрінде көрсетілген
ауыстыру энергиясы, C60 құрылымы мотақ икосаэдр болады деген жобамен
орындалған [23,19-24]есептеріне ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ш.Ш.УӘЛИХАНОВ АТЫНДАҒЫ КӨКШЕТАУ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ
Физика – математика факультеті
Физика және ОӘ кафедрасы
Дипломдық жұмыс
Жоғарғы сипаттағы фулерендердің
физикалық және химиялық ерекшеліктері,
ғылымда және техникада қолданылуы
Орындаған:
050110 Физика бөлімінің студенті
Султанбек Қанат
Ғылыми жетекші: Мұхамедин С.М..
Дипломдық жұмысты қорғауға
жіберемін.
Кафедра меңгерушісі: Мухамедин С. М.
КӨКШЕТАУ- 2011ж.
Мазмұны
I.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .3
II. Негізгі бөлі
1. Фуллерендердің негізгі
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
5
1.1 Фуллерендердің электрлік
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .5
1.2. Фуллерендер
құрылымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... .10
2. Фуллерендерді өндіру ... ... ... ... ... ... ... . ... .. ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... .19
2.1. С60 молекуласын
генерациялау ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
19
2.2. Жоғары сапалы фуллерендерді
өндіру ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... 20
2.3. Фуллерендерді тазалау
әдістері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 22
3. Фуллерендер термодинамикасы және олар қатысатын
процестер ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .27
3.1. Фуллерендер
химиясы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ...29
3.2. Фуллерендердің
ерігіштігі ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 34
3.3. Фуллерендердің еріткіштердегі
ерекшеліктері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .36
3.4. Фуллерендердің ерігіштігінің кластерлік
табиғаты ... ... ... ... ... ... ... ... ..39
3.5. Еріткіштердегі фуллерендердің
диффузиясы ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ..42
4. Фулерендердің композиттік материалдар алу үшін
қолданылыуы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ...45
4.1. Қатты композитті фуллерендердің электрлік және механикалық
қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ... ..49
4.2. Жаңа асқын
өткізгіштер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ...50
4.3. Композитті фуллерендердің негізіндегі оптикалық
қасиеттері ... ... ... ..54
Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 56
Қолданылған
әдебиеттер ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... .57
Кіріспе
Соңғы уақыттарда композиттік материалдар полимерлі – көміртектік
нанотрубкалары (ПКНТ) арқылы жасалатын болды. Сондықтан полимерлі –
көміртектік нанотрубкалары (ПКНТ) синтезделетін нанотүтікшелер мен
фуллерендердің физикалық және химиялық қасиеттерін зерттеу өте актуалды
болып табылады.
Келешекте автоэлектрондық эмиссиялы (АЭ) өте жоғары мәнді тоғы бар
өндірістік эмиссиялық катодтарды жасауға қажетті наноқұрылымды
материалдарға жатады. ПКНТ негізінде осындай катод жасау проблемаларына
бүгінгі күні қызығушылық мол [1–5]. Бірақ, полимер матрицаның қоршамындағы
көміртекті нанотрубкалардың (КНТ) жұмыс істеу молекулярлық механизмінің
суреттемесі жеткілікті болмауының себебі тиімді, яғни бұл тиімділік АЭ-
катодтарын жасауға тұсау салуда. Бұл жерде, полимерлі матрицаның
функциясына байланысты бір өзекті аспектіні атап кеткен дұрыс. Кейбір
еңбектерде, матрица композициалық эмиттерде трубалардың кеңістіктегі
орындарының фиксаторы ретінде қабылданады [1]. Осы маңыздылықты ескере
отыра, біз полимерлі матрицаның функциясы одан да кеңірек екеніне көзіміз
жетеді. Мысалы [2] – де ПММА (полиметилмета-крилат)КНТ типті ПКНТ үшін
арналған 10 wt.% толтырғышында композиттің жылу өткізгіштігі екі есе
өседі. [3] – те ПСКНТ нанокомпозиті үшін арналған электр және реологиялық
перколяцияның молекулаүсті моделі қарастырылған. [4] – те Масс-
спектрометрикалық жұмыс диагностикасында... „полимер—КНТ“ шекарасында
композиттің механикалық қасиеттерін жақсарту барысында реттелген
макромолекуланың рөлі талданған . [5] – те полимерлік нанокомпозиттердің
көміртегісі бар нанотрубкалармен жасау принциптері қалыптастырылып,
қолдану мүмкіншілігі қаралады. Негізгі жұмыс полимерлік матрицада АЭ-
эмиссия режимінде КНТ функциясының молекулярлық механизмдерін анықтау үшін
жүргізілген. Көпке дейін, көміртегі екі кристаллдық құрылымды қамтыған,
яғни олар – алмас және графит [1].
Алмастың құрылымы кеңістікті құрылымды құрастырады, себебі
көміртегінің атомдары бір-бірімен күшті химиялық байланыста болып, біріне-
бірі жазықтықта емес, кеңістікте бағытталған. Графиттің құрылымы қабат –
қабат болып келген, әр атом бір жазықтықта орналасқан басқа атомдармен
күшті химиялық байланыс жасайды, ал көршілес атомдармен химиялық байланысы
өте нашар болады. Сондықтан, әр қабатты үзгеннен гөрі, көршілес орналасқан
қабаттарды үзіп алу жеңілге түседі.
Көміртегінің беткі құрылымдарын қалыптастыруға бейімделуі 80-ші
жылдардың екінші бөлігінде ашылған жаңа формулаларда – фуллерендерде және
нанотрубкаларда тіпті де байқалады [2-5]. Осындай тұтас көміртегінің беткі
құрылымы өзіндік материалдардың физикалық объектілер және химиялық жүйелер
сияқты ерекше қасиеттерімен байқалады. 1990 ж. фуллерендерге арналған
синтездеудің, бөлудің және жақсы тазалаудың тиімді технологиясын жасау
кезінде [6, 7] мыңдаған зерттеушілер, яғни физика, химия, материалдар тану
т.б. салалардың мамандары фуллерендерді зерттеу проблемасына тап болды. Әр
елдердің жүздеген лабораторияларында жұмыс істеген осы мамандардың
интенсивті күштерінің арқасында, фуллерендердің көптеген жаңа және қызықты
қасиеттері ашылды. Аталған қасиеттер фуллерендерді тек қана фундаменталды
ғылымның жаңа, тартымды объектісі ретінде ғана емес, сондай-ақ кеңінен
тарайтын қолданбалы өңдеулердің негізі ретінде пайдалануға мүмкіншілік
береді.
Негізгі бөлім
1. Фуллерендердің негізгі қасиеттері
1.1 Фуллерендердің электрлік қасиеттері
Фуллерендердің және фуллерен қамтитын жүйенің физика–химиялық
қасиеттеріне және потенциалдық қосымшалары туралы мәліметке қысқаша
тоқталайық.
Фуллерендердің электрлік, оптикалық, механикалық қасиеттері
конденсацияланған күйлерінде фуллерендердің қатысымен өтетін құбылыстардың
физикалық жағы молдау екенін көрсетеді, сонымен қатар осы материалдардың
электроникада, оптоэлектроникада, техниканың басқа салаларында да
пайдалануының келешегі мол. Кристалдық фуллерендер және пленкалар 1,2-1,9
эВ шектелген зонасының кеңдігі бар жартылай өткiзгiштер болып табылады
және оптикалық сәуле түсуінде фотоөткізгіш қасиетін қамтиды [8-11].
Фуллерендер кристаллдарда өте жоғары емес байланыс энергияларымен
сипатталынады, сондықтан осындай кристаллдарда бөлмелік температурада
фуллерен молекулаларының айналымын еріту және реттеу бағытына әкеліп
соғатын фазалық ауыспалықтар байқалады [12, 13]. Сiлтiлiк темірлердің
атомдарының С60 кристаллдары металлдық өткізгішті қамтиды және 19-33 К
температурада сiлтiлiк темірдің типіне байланысты жоғарғы өткізгіш күйіне
ауысады [14-17]. Жоғарғы өткізгіштің өлшемді температурасының көрсетілген
мәндері молекулярлы жоғарғы өткізгіштер үшін рекордты саналады. Жоғарғы
өткізгіштің одан да жоғары температурасы (60-100 К) жоғары фуллерендер
негізінде өте жоғарғы өткізгіштерде болуы мүмкін [18].
Органикалық еріткіштерде фуллерен ерітінділері ерекше физика–химиялық
қасиеттермен қамтылады. Мысалы, С60 ерітіндісінің температуралық
тәуелділігі толуолда, гександа және CS2 – те Т = 280 К деңгейінде
максималды өлшемін қабылдаған кезде, сипаттамасы монотонды болмайды [19].
Фуллерендер ерітіндісі сызықты емес оптикалық қасиеттермен сипатталынады,
бұл қасиет, әсіресе, оптикалық сәулеленудің кейбір өлшемді мәндерінде
интенсивті жоғарылау кезінде, еріткіштердің ашықтығы төмендегенде айқын
білінеді [20]. Осындай қасиеттер фуллерендерді, оптикалық құралдарды
интенсивті оптикалық сәулеленуден қорғайтын сызықты емес оптикалық
затворлар ретінде пайдалануға мүмкіншілік береді.
Фуллереннің табылуы жасанды алмастың синтезі саласында көптеген
мамандардың қызығушылығын тудырды. Алғашқы эксперименттер С76 пленкасы
көміртекті плазмадан жасалған алмаспен жалатқанда өте тиімді катализатор
екенін көрсетті. Кристаллдық фуллерендердің алмасқа өзгеруі, осы мақсатта
пайдаланылатын дәстүрлі графит жағдайымен салыстырғанда өте тиімді күйде
өтеді. Бөлмелік температурада аталған өзгеріс 20 ГПа қысымы кезінде өтеді
[22], ал сондай-ақ графит өзгерісінде 30-50 ГПа қысымымен, температураны
900 К шамасында ұстау қажет [23]. Қатты фуллеренді алмасқа ауыстыру үшін
қажетті қысым, температура өскен сайын төмендейді. Мысалы, катализатор
ретінде кобальт пен никельді қолданғанда және оларды 1200-1850 °С-ге дейін
қыздырғанда, 6,7 ГПа көлеміндегі қысым жеткілікті болады [24]. С60
кристаллдық фулеренін қатты сыққандағы аморфты алмастың синтезі туралы
жуырдағы эксперименттердің [25] нәтижесі үміттендіреді. Бұл арада ешқандай
қосымша қыздырудың қажеті жоқ екенін айтып кеткен жөн. Осылай алмас
құрылымының қатты сығу нәтижесінде қысымы ондаған гигапаскаль шамасына
жеткенде температурасы 2000 К–ге тең болады.
Фуллерендердің механикалық қасиеттерін зерттеу жұмыстарының нәтижесі
бойынша алғашқы эксперименттер, фуллерендер негізінде тиімділігі жоғары
қатты сылауды жасау үмітін дәлелдеді. Осы эксперименттер бойынша [1],
фуллеренді пленка жапсырылған қатты материалдардың бетінде үйкеліс
коэффициенті төмен болатыны анықталды.
Фуллереннің ашылуын мамандар органикалық химиядағы төңкерiстің
мүмкін болуымен байланыстырады. Көміртек атомдары өзара бірлік немесе қос
байланыста болатын фулерендердің молекулалары үш өлшемді аналогтағы хош
иісті құрылымдарға жатады. Олар жоғары деңгейде электр терiстiгін қамти
отырып, химиялық реакцияларда күштi тотықтырғыштар қатарына жатады.
Фуллерендер әр түрлі химиялық табиғи радикалдарды өз құрамына енгізіп,
түрлі физика–химиялық қасиеттері бар химиялық қосындыларды кеңінен
қалыптастырады. Осы жолмен жақын арада құрамындағы С60 молекулалары өзара
фуллерен кристалындағыдай Ван-дер-Ваальс байланысымен емес, химиялық қарым-
қатынаста болатын полифуллерен пленкасы алынған [27]. Майысқақ қасиеттері
бар бұл пленкалар, жаңа полимерлік материал типтеріне жатады. Платина
топтарының темірі бар радикалдардың С60-қа қосылуы [15], фуллерен
негізіндегі ферромагниттік материалды алуға мүмкіншілік туғызады. Жаңа
химиялық қасиеттер фулерендерде көміртек атомдарының бөліктерін темір
атомдарымен ауыстыру нәтижесінде құрылымдары құрастырылатын қосылуларды
байқауға мүмкіншілік береді. Осындай металлокарбон немесе меткарлар деп
аталатын қосылуларға Ti8Ci2, V8Ci2, Hf8Ci2, Zr8Ci2 сияқты қосылулар
жатады [19]. Мамандар фуллерендердің эндоэдралдық қосылуларының физика-
химиялық қасиеттерін зерттеу жұмыстарының нәтижесінен көп үміт күтуде [20].
Жақын арада макроскопиялық санауларда синтезделген осы қосылуларда бір
немесе бірнеше металл атомы, әлде басқа да элементтердің атомдары
фуллерендердің сфералық құрылымдарының ішіне орналастырылады. Фуллерен
негізіндегі қосылулардың әр түрлі физика- химиялық және құрылымдық
қасиеттері фуллерендердің химиясы туралы келешегі мол, органикалық химия
ретінде санауға болады, оның дамуы болжамсыз нәтиже беретіні анық.
Графит қабаттарын жартылай қыздырып қирату барысында жабық сфералық
немесе сфероидалық құрылымды фуллерендер молекулалары ғана пайда болмайды,
сонымен қатар беті дұрыс алтыбұрышты түрде жасалған ұзын түтікшелер де
пайда болады [4, 5]. Бұл түтікшелердің ұзындықтары бірнеше микрометр,
диаметрлері бірнеше нанометр болады, алынған күй-жағдайына қарай бір
немесе бірнеше қабаттардан құрастырылады, ұштары жабық немесе ашық болады.
Нанотүтікшелерге деген қызығушылық оларды жасаудың саны грамм ретінде
технологиясы шыққаннан кейін арта түсті [21-27]. Бұл қызығушылық алғашқы
нанотүтікшелермен жүргізілген эксперименттер нәтижесінде туып отыр.
Түтікшенің ашық ұшы ерітілген қорғасынмен қосылғанда капиллярлы эффектінің
әсерімен түтікше темірге толып, жіңішке изоляцияланған қабаты бар сымға
айналады [24]. Жоғары температурада түтікшені оттегімен өңдеу, бір қабатты
ашық ұшты түтікшелер шығаруға мүмкіншілік береді [25, 26].
Фуллерендермен, түтікшелермен эксперименттер жасау жалғасып жатыр,
осы салада жаңа жетістіктерге жетуге мүмкіншіліктер бар деп сенуге болады.
Фуллерендердің қасиеттерінің негізінде жасалған эксперименттер
нәтижелерінің тиімді коммерциялық пайдалануы туралы көптеген оптимизмді
болжаулар орындалып жатыр. Мысалы, 1994 жылы мамыр айында фуллерендердің
ірі масштабта электроникада қолданылуы туралы хабарланған [27]. Осы
хабарламаны таратқан Халықаралық өндірістік корпорациясы Мицубиши болатын,
фуллерендер аккумуляторлық батарейлердің өндірісінде қолданылады. Осы
батарейлердің жұмыс істеу принциптері сутегінің қосылу реакцияларына
негізделген, көбінде осындай металлогидридтік, никельдік аккумуляторлар
кеңінен таралған, бірақ аталған хабарлама бойынша ақырғыларының сутегіні
бес есе артық сақтайтын мүмкіншілігі бар. Бұл батарейлердің тиімділігі де
өте жоғары, салмағы аз, литий негізінде құрастырылған аккумуляторларға
қарағанда экологиялық, санитарлық жағынан қауіпті емес.
Фуллерендердің ішінде негізгі орынға С60 молекуласы жатады, ол өте
жоғары симметриясымен және тұрақтылығымен сипатталады. Осы молекуланың
құрылымы 1, 2 суреттерде көрсетілген.
Бұл молекула да футбол добының сыртына ұқсас және құрылымы дұрыс
үшкір икосаэдрға сәйкес, көміртегінің атомдары 20 дұрыс алтыбұрышты және 12
дұрыс бесбұрышты сфералық беттің бұрыштарында орналасқан, әр алтыбұрыш үш
алтыбұрышпен, үш бесбұрышпен көршілес, ал әрбір бесбұрыш тек қана
алтыбұрышпен көршілес болады. Осылай, С60 молекуласында көміртегінің әр
атомы екі алтыбұрыштың және бір бесбұрыштың бұрыштарында орналасқан,
көміртектің басқа атомдарынан тіпті принципті айырмашылықтары жоқ.
Сур.1. С60 және С7о фуллерен молекулаларының құрылымы [24]. Симметрияға
байланысты C60 молекуласында барлық атомдар біркелкі жағдайда, ал С70
молекуласында атомдардың бес түрлі позициялары бар.
Сур.2. Иондық дала микроскопы арқылы алынған С60 молекуласы құрылымының
суреттемесі [10]. Иненің үшында кернеу 10,7 кВ құрастырады, буферлі газдың
қысымы (Не) - 0,04 Па.
"Фуллерен" терминінің пайда болуы Букминстер Фуллер деген
американдық архитектордың атымен байланысты, ол осындай құрылымдарды
күмбезді ғимараттарды құрастырғанда қолданған. Бұл архитектура
құрастырылуы С60 фуллерен молекулаларының құрылымына ұқсас. Фуллерендер
конденсацияланған күйінде фуллериттер деп аталады, металлдық немесе басқа
да қоспалармен қосылған фуллериттер фуллеридтер деп аталады.
Тұтас бетті молекула формалас көміртегінің өмір сүру проблемасы С60
молекулаларын эксперименталды дәлелдегенше, баспасөздерде бірнеше рет
талқыланды (кара. [15-23]). Бірақ, фуллерендердің көзделген мақсатта
зерттелуі С60 молекуласының сиқыршылық санды атомымен кластер ретінде
тіркелген жұмыстарынан басталды [5-10]. Аталған зерттеу жұмыстарының
нәтижесі бойынша өте жоғары тұрақтылығын көрсететін С60 молекуласының
сфералық тұтас беті белгіленген. Сонымен қатар, тұтас сфералы формасы бар
С70 молекуласы өте жоғары деңгейде тұрақты екені көрсетілді. [3] Физика
үшін фуллереннің принципиалды жұмысының мәні келесіде, мұнда футбол добының
сыртына ұқсас С60 молекулаларының құрылымы ұсынылған. Осындай құрылымды
С60 жүйесі кластер емес молекула болып табылады және ол оның негізгі
қасиеттеріне әсер етеді. Осыған толығырақ тоқталайық.
Атомдарды қамтитын кластерлер қасиеттерін байқайық. Оның мынадай
параметрлері, яғни қосылатын атомның байланыс энергиясы, ионизация
потенциалы, электронға ұқсас энергиясы, электронды қоздыру энергиясы, еріту
температурасы т.б. атом сандарының монотондық функцияларына жатпайды. Бұл
параметрлердің, кластерде ең тұрақты атом конфигурацияларына сәйкес
сиқырлы санды экстремумдері бар. Көбінесе осындай тұрақты конфигурацияларға
толтырылған қабатты кластерлер жатады. Бірақ, атомның кеңістікті құрылымына
байланысты кластерде кластер А2п өзінің параметрлерімен нашар
байланыстағы Ап екі кластерлерден айырмашылығы бар. Бұл дегеніміз екі
кластерлердің Аn жабысуы А2п кластерінің қалыптасуына әкеледі және оның
қасиеттері Ап қасиеттерінен айырмашылығы бар.
Бұл аргументтер фуллерендерге жатпайды, себебі фуллерендердің
молекулаларында атомдар тұтас бетте орналасқан. Сондықтан әр түрлі
фуллерендердің атомдары арасындағы байланыстары бір фуллереннің көршілес
атомдарының байланысына қарағанда өте нашар. Осыған байланысты фуллереннің
екі молекуласының қарым-қатынасы атомдары кеңістікте орналасқан екі
кластердің қатынастарының жағдайындағыдай біріне-бірі жабыспайды. Бұл
жағдайда екі нашар қатынастағы фуллерен молекуласының жүйесі қалыптасады,
онда фуллереннің әр молекуласы өзінің жекешілігін сақтайды. Сол себепті
фуллерендер көміртегінің ерекше формасын қамтиды, графитке ұқсастығы көп
болса да графиттен де, алмастан да айырмашылығы бар.
Жоғарыда аталған ойлар көрсеткендей, С60 молекуласының құрылымы [3]
жұмысында да айтылғандай футбол добының сыртқы қабатына ұқсастығы туралы
болжамы өте маңызды, себебі осындай суреттеме фуллерендерді көміртегінің
жаңа формасына жекешелендірді. Сонымен, [3] жұмысы фуллерендерді зерттеу
барысына жаңа толқын берді. 1990 жылы дайындалып шығарылған жабайы және
тиімді макроскопиялдық сандарда фуллеренді өндіру технологиясының маңызы
өте зор [6, 9-16]. Бұл технология графитті фуллеренге өңдеу әдісіне
негізделген және C60-қа 1 г шамасында өнімділігін қамтиды, бұл кеңінен
зерттеуге жеткілікті. С70 фуллерен синтезінің өнімділігі бірқатар төмен,
бірақ бұл жағдайда да фуллерен С70 жұқа пленкаларды ғана зерттеуге емес,
сонымен қатар осы сортты молекулалардан жасалған поликристаллдарды да
зерттеуге жеткілікті санда өндіріледі. Сол кезде өткізілген
фуллерендердің зерттеу жұмысы оларды шығаратын технологиясын жасауға көмегі
тиді.
Спектрдің инфрақызыл салаласында C60 молекуласының жұтылуының төрт
сызығы жаңа технологияның қалыптасуы барысында индикатор ретінде қызмет
көрсетеді.
Фуллерендерді зерттеудің өте бір қызықтыратын жолы Крото болжамы
және басқа да болжамдар болып табылады [3], осыған байланысты диффузиялық
жолдардың қайнар көзіне ИК-диапазонында жұлдыздар арасындағы материяны
шығаратын фуллерендер молекуласы жатады. Бұл жолдар 60 жыл бұрын табылған,
бірақ қалай пайда болғаны әлі де анықталмаған. Газда С60 жұтылатын
спектрді өлшеуге бағытталған бірінші эксперименттер жобаны дәлелдемеді.
Артынан Крото [17] осы гипотезаны анықтады, ол диффузиялық жолдардың қайнар
көзіне С60 молекуласы емес С60 ионы жатады деген болжаумен зерттеген,
себебі жұлдыздар арасында оның бары дәлелділеу. Жуыр арада басылған жұмыста
[18] (және [19]), неонның кристаллды матрицасында орналастырылған С60
ионының жұту ИК-спектрі өлшемі аталған жобаны дәлелдегенге ұқсайды.
Фуллеренді зерттеу интенсификациясында, поликристаллдық C60-қа, 33 К-
нен төмен температураларда сiлтiлiк металлдардың қоспасыз болат атомдарында
байқалатын 1991 жылы өте жоғары өткізгіштік құбылысының ашылуы өзекті
рөлді атқарды [14-17, 20-22]. Бүгінгі күні осы қосылулар ең жоғары
температурадағы молекулалық жоғары өткізгіштерге жатады.
Казіргі уақытта, фуллерендерді зерттеуге арналған бірқатар шолу
жұмыстары басылған [23-27]. Бұл шолу жұмысының негізіне алдыңғы авторлардың
шолу жұмыстары алынған [9], ал соңғы екі жылдағы интенсивті зерттеу
жұмыстары осы мәселе туралы ұсынысын өзгертті. Осы шолу жұмысының мақсаты
– қаралатын мәселенің бүгінгі күнгі жағдайын суреттеу, қаралатын жүйелердің
жеке қасиеттерінің физикалық суреттемелерін талқылау.
1.2 Фуллерендердің құрылымы
С60 молекуласының геометриясы . C60 молекуласының құрылымы мотақ
икосаэдрдің құрылымына келеді. Әрі қарай біз осы құрылымды талдаймыз.
Икосаэдрдің өзі дұрыс геометриялық пiшiнді қамтиды, оның беті дұрыс
геометриялық пішінді 20 дұрыс үшбұрыштардан құралған [10, 11]. Бұл
үшбұрыштардың 12 жалпы төбелері және 20 жалпы тараптары бар. Икосаэдр
атомдарының қос байланыстары бар кластерлер үшін оптималды құрылым болып
табылады, себебі, мұндай құрылым атом аралығындағы байланыстардың
максималды санын қамтиды. Мысалы, инертті газдардың шамалы кластерлері
икосаэдр құрылымын қамтиды. Икосаэдрдің фуллереннен айырмашылығы, құрылымды
кластерлері көлемді толтырылады. Жабайы икосаэдр 13 атомнан құралған, оның
12 атомы бетінде орналасқан, біреуі ортасында орналасқан. Сонымен,
икосаэдрдің геометриялық фигура ретінде фуллерендерге ешқандай қатысы
жоқ. Ол фуллереннің С60 молекуласын модельдей алатын мотақ икосаэдр
фигурасының негізі болып табылады. Икосаэдрдің барлық төбелері дұрыс
фигура ретінде бір сферада орналасқан, ал сфераның радиусы R үшбұрыштың L
тарапының ұзындығынан әлдеқайда қысқа:
R = 0,951L. (1)
Икосаэдрді келесі әдіспен құрастырайық. Сфераның радиусы мен өсін
оның ортасынан сызайық. Өстің сферамен қиылысқан екі нүктесін икосаэдрдің
төбесі етіп аламыз. Сосын екі жазықты ±12 қашықтықта өсіне перпендикуляр
қылып өткізу керек. = 0,851L таңдап алып, сферамен жазықтың қилысындағы
шеңбердің радиусы ( = г) тең аламыз. Бұл шеңберлердің ішіне дұрыс
бесбұрыштарды саламыз және олардың проекциялары біріне-бірі бұрышта
орналасуы керек. Егер фигураның жақын нүктелерін қоссақ, икосаэдр құрылады.
Осы фигураның әр төбесінің жазықтықта бес көршілесі болады да қаралатын өсі
бесінші ретті өсі болып табылады, яғни оған қатысты -ке бұрылу
фигураны сақтайды. Икосаэдрдің ортаңғы ортадан және фигураның қарама-қарсы
төбелерінен өтетін алты симметрия өсі бар. Фигураның ортасынан және қарама-
қарсы үшбұрыштардың орталарынан өтетін икосаэдрдің 10 симметриялы өсі
үшбұрыш жазықтықтарына перпендикуляр болып келеді. Кез келген осы өсьті
бұру бұрышы фигураны сақтайды, ол өстері үшінші реттегі өстерге
жатады.
Икосаэдрдан фуллерен С60 молекуласын модельдейтін мотақ икосаэдрге
көшеміз. Ол үшін, икосаэдрдің әр тарапын үш біркелкі бөлшекке бөлетін және
икосаэдр ортасынан ортасы өтетін жаңа сфера құрамыз. Қиылысқан нүктелер
жаңа фигураның төбесі болады. Қиылысатын нүктелердің саны икосаэдрдің екі
еселенген тараптарына тең, яғни 60°-қа тең. Көршілес төбелерін қосып мотақ
икосаэдрді аламыз. Осындай операцияны басқаша ойлап жүргізуге болады.
Бастапқы икосаэдрдің тарапын үш бірдей бөлшекке бөлеміз және жақын
төбелерін қосамыз. Солай икосаэдрдің әр төбесінен дұрыс бесбұрышты пирамида
кесіледі, оның негізі дұрыс бесбұрыш болады. Осы операцияның нәтижесінде
икосаэдрдің бетінің әр дұрыс үшбұрышы мотақ икосаэдрдің бетінің дұрыс
алтыбұрышына айналады, оның тарапы а басты үшбұрыштың тарапынан үш есе кем
(а = ). Сонымен осы операция икосаэдрден 12 дұрыс бесбұрышты
пирамиданы кесіп алуға болады және қалыптасқан фигураны беті 12 дұрыс
бесбұрыштар, 20 дұрыс алтыбұрыштарды қамтиды. Мотақ икосаэдрдің барлық 90
тараптарының а ұзындықтары бірдей болады.
R' - сфераның радиусы деп белгілейміз, оның бетінде мотақ икосаэдрдің
төбелері орналасқан, h-сфераның ортасымен алтыбұрыштың ортасының аралығы
(немесе басты икосаэдрдегі үшбұрыштың аралығы) және h' — сфераның
ортасымен бесбұрыштың ортасының аралығы. Осы өлшемдер келесі байланыста:
R' = 2,478а, (2)
h = 2,261 а, (3)
к' = 2,Ъ21а. (4)
(1) формуладан байқағанымыздай, басты икосаэдрдің радиусы мен мотақ
икосаэдрдің тарапының байланысы келесі түрде көрсетілген:
R = 2,853а. (5)
Алынған байланыстар фуллерен С60 молекуласының құрылымын талқылауға өте
пайдалы.
Қарастырылған фигуралардың симметрияларының өте жоғары екенін атап
кеткен дұрыс. Икосаэдр сияқты фуллерен С60 молекуласын модельдейтін мотақ
икосаэдрде үшінші ретті он өстің симметриясымен сипатталады. Мұны былай
түсіндіруге болады, аталған өстердің айналасында бұрылу осы
фигураларды сақтайды. Үш ретті өстер икосаэдр жағдайында фигураның және
беттегі үшбұрыштардың орталарынан өтеді немесе мотақ икосаэдр жағдайында
фигураның және беттегі алтыбұрыштардың орталарынан өтеді. Одан басқа,
қаралған құрылымдардың әрқайсысы бесінші реттегі алты өсті симметриясымен
сипатталады. Икосаэдр жағдайында, бұл өстер фигураның ортасынан және оның
төбесінен өтеді, ал мотақ икосаэдр жағдайында олар фигураның ортасы мен
беттегі бесбұрыштардың ортасын қосады.
Көміртектің атомының электрон қабығы s2p2к көршілес атомдары
бесбұрыш пен алтыбұрышты қалыптастырғанда көміртектің оптималды құрылымын
қамтиды. Осындай құрылым табиғаттта кеңінен таралған катты көмірдің
модификациясында - алмас пен графитте кездеседі. Графиттің қыздырып
шашылу себебінен пайда болатын өте тұрақты көміртегі кластерлеріне де бұл
құрылым оптималды болады. Көміртегінің тұрақты молекулалары тұтас беттің
құрылымын қамтиды, оның бетінде көміртегінің атомдары орналасады. Бұл тұтас
бетті алты және бесбұрыштармен салынған. Алтыбұрыштың төбесінде орналасқан
көміртектің атомдары фуллереннің және графиттің құрылымдарының
элементтеріне жатады. Себебі фуллеренді жасайтын ең тиімді әдісі графитті
қыздырып бұзу негізінде қолданған, сонда фуллерен молекулаларының сфералық
және сфероидалы беттерін жасауға пайдаланған алтыбұрыштың өлшемі графит
құрамындағы алтыбұрыштың өлшемімен бірдей деп қорытындылауға болады. Әрі
қарай осы аталған аналогияны пайдаланып, осы позициямен C60 құрылымын
талқылаймыз.
Графит тараптары 0,142 нм және 0,335 нм қашықтығымен бөлінген, дұрыс
алтыбұрыштардан құрастырылған қабаттардан қалыптасқан [24]; және жақын
қабаттардың атомдары бірінің үстінде бірі орналасқан емес тұрақты керегенің
жартысына қарай ауысқан. Құрамында графиттегідей алтыбұрыш кіреді деп
болжай отыра, C60 фуллеренінің молекуласының радиусын есептейік. C60
молекуласына мотақ икосаэдр моделін пайдаланып, (2) формулаға сәйкес R =
2,48 а = 0, 35 нм, (а - көршілестердің қашықтығы) молекуланың радиусын
табамыз.
Алдында, C60 молекуласын мотақ икосаэдрмен модельдеп, біз фуллерен
молекуласындағы барлық байланыстарды баламалы деп есептедік. Соған сәйкес
осы модельдің көлемінде олардың бәрі графит қабатының байланысының
ұзындығындай біркелкі ұзындықтары болады. Нақтылықта C60 құрылымында екі
типті байланыстар бар, біреуі (екі жақты) екі алтыбұрыштың орта тарапы
болады, ал екіншісі (бір қабатты) бесбұрыш пен алтыбұрыштың ортақ тарапы
болады.Әр түрлі эксперименттердің нәтижелері бойынша [25-27] аталған
байланыстардың ұзындықтары 0,139 ± 0,001 және 0,144 ± 0,001 нм-ге тең.
Сондықтан, C60 құрамын құрастыратын алтыбұрыштар бірқатар дұрыстардан
айырмашылықтары бар және жоғарыда көрсетілген фуллерендердің мөлшерлерінің
бағасы 1-2 %-ға дейін анық.
C60 молекула радиусының толығырақ мәні рентген құрылымының
сараптамасы бойынша [15] 0,357нм-ді құрастырады. Сонымен қатар, С60
молекуласында көміртегінің барлық атомдары бірдей жағдайда болады, сол
себепті әр атом бір уақытта екі алтыбұрышқа және бір бесбұрышқа жатады. Бұл
13С изотопын қамтитын C60 молекуласының ядро магниттік резонанс
спектрлерінің түрлерімен дәлелденеді. C60 таза түрінде бұл спектр бір
резонансты қамтиды.
Графит құрылымының және С60 фуллерен молекулаларының жалпы
элементтері графиттің жіктелу барысында фуллереннің қалыптасу жолдарын
анықтайды. Графитті сабырлау қыздырғанда қабаттарының арасындағы
байланыстар үзіледі және бөлінетін қабаттары жеке бөлшектерге бөлінеді. Ол
бөлшектер алтыбұрыштардың комбинациясына жатады, әрі қарай олардан
кластерлер құрастырылады. Бөлшектерден фуллерен молекулаларын
қалыптастырудың әр түрлі әдістерін ұсынуға болады (сур. 3). Қарастырылған
С60 молекуласын жабайы әдіспен құрастыру үшін, 60 атомдарды қамтитын 10
алтыбұрышты алып, тұтас құрылымға біріктіру керек сияқты. Бірақ, ол үшін
кейбір алтыбұрыштарды бөліп кесу керек. Тұтас бет тек қана алтыбұрыштардан
құрастырылмайтын себептен C60 фуллерен молекуласы қалыптасатын бөлшектер
кіші өлшемде болулары қажет. Мысалы, оны алты біріне-бірі байланысты емес,
әрқайсысы он атомнан қамтылған екі қабатты алтыбұрыштардан құрастыруға
болады. Осы С60 фуллерен молекуласын жинаудың жабайы әдісіне жататын
сияқты.
Сур.3. [18, 19] графит фрагменттерінен С60 молекуласын синтездеудің мүмкін
жолы. А – графиттің фрагменті, ол С60-фуллеренін жартылай синтездеуде
негіз болады, графит фрагментінен көміртегінің тұтас кластерін жасауға
мүмкін болатын әдіс.
Екі фрагменттің қосылуы көрсетілген. Үлкен фрагмент жеті алтыбұрыштан
тұратын (30 атомнан), көлемді құрылымға жинақталады да сызық жолдары
бесбұрыштың сол жақтағы тарапын жабады. Әрі қарай екі алтыбұрыштан құралған
(10 атомнан), үлкен фрагмент пен алтыбұрышты ( стрелкамен жабылады) және
екі бесбұрыштар (сызық жолдарымен жабылатын) қалыптастырады. Осындай
әдіспен осы фрагменттерден С60 кластерінің жартысы жасалынады, онда 40
атом және өзінде алты тұтас бесбұрыш, он тұтас алтыбұрыштар бар. С60
фуллеренін осы фрагментке екі қабатты алтыбұрышты қамтитын тағы екі
фрагмент қосу арқылы жасауға болады.
Осындай әдісті модифициялауға болады, егер екі қабатты алтыбұрыштары
бар молекулаларды фрагменттен жинаса. 3-ші,а-суретте осындай фрагменттің
бірі көрсетілген. С60 молекуласын осындай екі фрагменттерден синтездеуге
мүмкін әдісінің бірі 3-ші,б-суретінде көрсетілген. Көрсетілген фуллеренді
жинау механизмі авторлармен ұсынылған [8]. Әрі қарай бұл әдіс басқа
жұмыстарда дамыған [7].
Фуллерендер құрылымының тікелей бақылануы даладағы ионды микроскоптың
жетілдірілуі нәтижесінде мүмкін болды [8, 9]. Бұл құрал кеңістікте кейбір
молекулаларды құрастыратын жеке атомдардың орналасуымен зерттелетін
молекуланың маңайында біркелкі емес электр өрісінде буферлік газдың
атомдарының автоионизациалау құбылысын пайдаланып, бір жерге шоғындыруға
ыңғайлы. 2-ші суретте осылай алынған С60 молекуласының суреттемесі
көрсетілген [20].
8,, -- ^8
7 . \ 7
6 Л Полюс \6
\5 7 \7 5
6 \ 6
5
\6 6
4
4
4
4
3
\2 2
1
3
2
2
-Экватор
2Ч о 2 2\ , '2
\ _ 3_ j ч .5
Сур. 4. С7о молекулаларының құрылымы мен байланыстары.
Таблица 1 .
Байланыс Берілген Байланыс Байланыс ұзындығы, нм
саны типтің категориялары
байланыс саны
1 5 алтыбұрыш- 0,1250,001
алтыбұрыш
2 20 алтыбұрыш- 0,139 ±0,001
алтыбұрыш
3 10 алтыбұрыш- 0.1470,001
бесбұрыш
4 20 алтыбұрыш- 0,146 ±0,001
бесбұрыш
5 10 алтыбұрыш- 0,137 ±0,001
алтыбұрыш
6 20 алтыбұрыш- 0,147 ±0,001
бесбұрыш
7 10 алтыбұрыш-алтыбұры0,137 ±0,001
ш
8 10 алтыбұрыш- 0,1464 ±0,0009
бесбұрыш
С70 молекуласының әр түрлі типтерінің сипаттамасы
С70 молекуласы С60 молекуласынан сфераның экватор жағына он
атомнан құрастырылған көміртегін енгізіп, әрі қарай созу арқылы шығарылған.
С70 құрылымы туралы осындай түсініктеме осы молекуланың ЯМР спектрінің
түріне сәйкес берілген, оның спектрі С60-тың спектірінен айырмашылығы, ол
бес пиктен тұрады.
С70 молекулаларының геометриялық параметрлері С70 молекулаларында
газ күйінде серпiмдi шашырату кезінде электрондар энергиясының жоғалту
спектрлерін өлшеу негізінде қайта орнына келтірілген [11]. Осы молекуланың
атомдарының арасындағы байланыстарының жалпы саны 105, олардың ішінде
байланыстардың әр түрлі сегіз топқа бөлінген, олардың ұзындықтары 1-ші
таблицада берілген. 1-ші таблица бойынша байланыстардың ұзындықтары
0,146нм-ге жақын. Бұл байланыстар бесбұрыш пен алтыбұрыштың шеттерінде
орналасқан және екі алтыбұрыштарды қосады. 5-ші және 7-ші байланыстар екі
алтыбұрыштардың шетінде орналасқан және екі бесбұрыштарды қосады. Ол
байланыстардың ұзындықтары 0,137 нм-ге жақын. 1-ші және 2-ші байланыстар
екі алтыбұрыштардың шетінде орналасқан. Олардың ұзындықтары 0,14 нм-ге
жақын, өзінің табиғи түрлері графиттегі көміртегінің атомдар арасындағы
байланыстарға ұқсайды (ұзындығы 0,142 нм). Осылай, С70 молекуласында
белгілі бір симметриямен сипатталатын сегіз әр түрлі байланыстар болса да,
бірінші болжамда бұл байланыстарды фигуралардың типтеріне қарай оларды не
қосатын не бөлетін үш топқа бөлуге болады. Бұл жобада С70 молекуласында
үш байланыс ұзындықтары болады. 1-ші типті байланыс бесбұрыштың жақын
орналасқанымен өзгерілмеген. Ол байланыстың ұзындығы (0,141 + 0,003(-
0,001) нм) графиттікімен тіпті ұқсас келеді (0,142 нм). 2-ші типті
байланыс С70 экваториалының маңайында бесбұрыш пен алтыбұрыштың төбелерін
қосады, ұзындығы 0,139 ± 0,001 нм, байланыстардың ұзындықтарының аралығы
екі алтыбұрыштардың және екі бесбұрыштардың төбелерін қосады, ұзындықтары
жоғарылардағыдай.
С70 молекуласының биіктігі, бесбұрыштың қырларының араларының
қашықтығы ретінде белгіленетін, екі қарама-қарсы перпендикулярлы салада
орналасқан тұрақты молекулаға арналған 0,780 ± 0,001 нм-ді құрастырады.
Экваториалды дөңгелектің, көміртегінің атомдарының ортасынан өтетін
диаметрі 0,694 ± 0,005 нм-ге тең. Бұл өлшемді 3-ші типті байланыспен
қосылған, яғни экваториалдық жазықтан бір қабат көлемінде ілгері тұратын
дөңгелектің диаметрімен салыстырып (0,699 ± 0,005 нм), авторлар [8] С70
молекулаларының құрылымы экваториалдық жазықты тартылуымен сипатталатыны
туралы қорытынды жасаған, бірақ нақты мәліметтер ретінде бұл қорытынды
пайдалануға жарамайды.
С70 молекуласының симметриясы С60 молекуласына қарағанда өте
төмен. Егерде оның атомы эллипсоидтың айналымының бетінде жатыр деп
есептесе және полярлық қалпағын, симметрия жазықтығына перпендикулярлы
бесбұрыштар қалыптастырады, ал С70 молекуласы бесінші реттегі бір өсті
симметриямен сипатталады, бұл ось эллипсоидтың үлкен өсімен бірдей болады.
Осы симметрия өсіне айналы жазықты қосу қажет, ол жазық осы өсіне
перпендикулярлы және фигураның ортасынан өтеді және осы симметриядан
шығатын тиісті инверсия симметриясын да қосу қажет.
С70 молекуласымен салыстырғанда С76 (сур.4), фуллерен
молекуласының симметриясы тіпті де төмен болады. Осы молекуланың ЯМР-
спектрі 19 әр түрлі интенсивтері біркелкі сызықтарды қамтиды. Бұл С76
молекуласында көміртегі атомдары 19 әр түрлі орында болатынын көрсетеді
және осы 19 топтың әрқайсысы 4 атомнан құрастырылады. С76 молекуласының
беті 12 бесбұрышпен және 28 алтыбұрыштармен салынған.
Осындай молекуланы шығаруға болады, егерде екі полярлы қалпақтары
С60 бесбұрыштар айналасында алтыбұрыштар түрінде, кезекпен бесбұрыштармен
және алтыбұрыштармен қоршап, содан кейін, бесбұрыштарды байланысудан
бірінен-бірін алтыбұрышпен қорғап бір-бірімен қосу керек. Тағы қос-қостан
алтыбұрышпен бесбұрышты қосқанда нәтижесінде тұтас құрылым шығады. 5-ші
суретте С76 молекуласының құрылымы көрсетілген молекула симметриясының әр
үш өсіне перпендикулярлы бағыталған. Симметрия өсінің бойына қарай
бағытталған С76 молекуласының өлшемі 0,879нм, 0,764 нм-ге және 0,668 нм-ге
тең.
Сур.5. С76 молекуласының құрылымы симметриясының әр үш өсіне
перпендикулярлы бағытталған. Әр дөңгелекшелер құрылымдағы атомның әр түрлі
орнына сәйкес болады.
Көміртегінің құрылымы туралы қосымша ақпарат Сn көміртегінің зарядталған
кластердің қозғалысының сараптамасынан алуға болады [23-26]. 6-шы суретте
көрсетілгендей осындай байланыстардың бірқатары байқалады, сондықтан п
кластерінің бір өлшеміне бірнеше қозғалыс сәйкес келеді. Бұл бірнеше әр
түрлі изомер формалы кластердің Сn бар екенін дәлелдейді және бірдей п-ге
арналған әр түрлі қозғалыстар сәйкес келеді. Бұл көміртегінің кластерлік
иондарының әр түрлі құрылымдарының топтарын көрсетуге мүмкіншілік береді.
Осы байланыстардың монотонды сипаттамалары осы формадағы кластердің
өлшемін атом саны өзгеруіне қарай, ақырын өзгертуі қажет екенін көрсетеді.
7 қисық сызықтармен біріктірген қара нүктелер Сn кластердің сызықты
құрылымына сәйкес. Осындай құрылым 3 п 10 шамасында тұтандырылады. [13]
сараптаманың нәтижесі бойынша 2-ші қисық сызықша жазық тұтас құрылымды
кластерлерге сәйкес келеді және олар 6 п 36 шамасында тұтандырылады.
Әрине Сn изомерінің қозғалатын бөлігі, құрылымы тұтас циклды, сызықты
құрылымды кластерге қарағанда, атом сандары бірдей болған жағдайда
қозғалысы жоғары.
20
5
015
40
п
10
30
50
60
20
.
Cур. 6. Не-да Сn кластерлердің қозғалысының өздерінің п өлшеміне байланысы
[23-26]. Қозғалыс мәндері нормалды күйлеріне келтірілген.
3-ші қисық сызығы 21-ден 61-ге дейін, әжептәуір 2-ші қисық сызыққа
жақын. Ол авторлармен екі тұтас циклді қалыптарды қамтитын жазық тұтас
кластер құрылымына жатқызылады. 4-ші қисық сызықтар кластерлерді
біріктіретін 30 п 61 фуллерендерге және көлемді тұтас құрылымды
кластерлерге жатады. Бұл қозғалысының шамасы атомдарының саны бірдей
және құрылымдары жазық кластерлер қозғалысынан әлдеқайда артық болуына
байланысты. Сондықтан 6-шы қисық сызықтардың кластерлері жинақы болулары
қажет. 6-шы суретте Cn кластерінің шамамен 4-ші қисықта жататын қозғалысы
көрсетілген. Аталған заңдылықтар көміртегінің теріс иондарына жатады.
2. Фуллерендерді өндіру
2.1. С60 молекуласын генерациялау
Фуллерендерді шығарудың ең бір тиімді әдісі алдында қаралған фуллерен
молекуласын жинау схемасына сәйкес графиттің қыздырып жіктеуінде
негізделген. Фуллерен молекулаларын генерациялаудың оптималды жағдайында
графитті қыздырылуы саябырлау болса, оның ыдыраудан пайда болған өнімі
фуллереннің молекулаларының құрылымының элементтерінің фрагменттеріне
жатады. Бұл жерде графиттің қабаттарының байланыстары үзіледі, бірақ
буланатын көміртегі жеке атомдарға бөлінбейді. Буланатын графиттер,
алтыбұрышты көміртегі атомдарының конфигурациясын қамтитын жеке
фрагменттерден тұрады. Осы фрагменттерден С60 молекуласы, басқа да
фуллерендер жинақталады. Фуллерендер шығарылғанда графитті жіктеу үшін
графит электроды электрлі қыздырғышы [14] және графит бетін лазермен
сәулелендіруі қолданылады [22]. Бұл процесстер буфер газы ретінде
пайдаланылатын гелиймен жүргізіледі. Гелийдің негізгі рөлі фрагменттерді
суыту, олардың тербелісті қоздырулары жоғары деңгейде болуы тұрақты
құрылымдардың бірігуіне кедергі жасайды. Оған қоса гелий атомдары,
фрагменттер бірігу барысында шығатын энергияны өздерімен алып кетеді.
Басқа буферлі газдардан гелийдің артықшылығы молекулалардың тербеліс
қоздыруларын тез басады. Көміртегінің фрагменттерін жоғары қысымда
агрегациялау буферлі газдың қысымы оптималды болмаса қиынға түсер еді.
Тәжірибелердің көрсетуі бойынша гелийдің оптималды қысымы 50-100 тор
диапозонында болады.
Графитті қыздырып жіктеу өнімінен ( фуллерені бар күйе) фуллерендерді
экстракциялау және фуллерендерді сепарациялау және тазалау ыңғайлы және
кеңінен тараған әдісі ерітінділерді және сорбентті пайдалануға
негізделген. Бұл әдіс алғашқы рет [6, 14-16] жұмыстарында қолданылған және
бірнеше кезеңнен тұрады. Басында фуллеренді күйе полярлы емес ерітінді
арқылы өңделеді, оған бензол, толуол, басқа да заттар қолданылады. Аталған
ерітінділерде тез еритін фуллерендер ерімейтін фракциядан бөлінеді, олар
фуллеренді күйеде 70-80 % шамасында болады. Фуллерен ерітінділерінің типті
мәндері, синтезге пайдаланылады және олар мольді процентінің бірнеше оннан
бір бөлігін құрастырады. Фуллерендердің ерітінділерінің санды мәліметтері
әр түрлі еріткіштерде 4-ші таблицада көрсетілген. Буландыру арқылы алынған
фуллерен ерітінділерінен қара поликристаллды ұнтақ шығады, олар әр түрлі
фуллерен қосындысы болады. Осындай өнімнің типті масс-спектрі [6]
көрсететіндей 80-90%-дан фуллерендер экстрактары бар - С60 және 10-15 % -
дан С70. Одан басқа шамалы көлемде жоғары түрдегі фуллерендер бар, олардың
экстрактан жасалуы күрделі техникалық мәселе.
Экстракт құрамына кіретін фуллерендерді сепарациялау сұйық
хроматография идеясында негізделген. Фуллерен экстрактары ерітінділердің
бірінде ерітілген сорбенттен жіберіледі, ол үшін алюминий, активті қара
көмір немесе жоғары сорбционды сипаттамасы бар басқа материалдар
қолданылады.
Фуллерендер осы материалмен сорбитталанады, сосын одан таза
еріткішпен экстрагираланады. Экстракцияның тиімділігі сорбент-фуллерен
ерітіндісінің алалас белгіленеді, белгілі бір сорбентті немесе еріткішті
пайдалануы фуллерендердің типтеріне байланысты [25]. Сондықтан сорбенттен
фуллеренмен сорбитталанып өткізілген еріткіш сорберенттен кезекпен әр түрлі
фуллерендерді экстрагациялайды, олар бірінен-бірі тез бөлінеді. Фуллерені
бар күйенің электрдоғалы синтезі және сорбентпен еріткіш арқылы бөлінуіне
негізінде суреттемесін алу, сепарациялау және фуллерендерді тазалау
технологиясының әрі қарай дамуы, С60 бір сағатта бір грамм көлемінде
синтездеуге арналған құралды жасауды талап етті [7, 16]. Мысал ретінде [7]
фуллеренді өндіретін құралдың схемасын қараймыз. Камерасы цилиндр формалы
сумен суытылатын қабатымен жасалған, ішінде екі графит электродтары бар.
Біреуі жазық дөңгелек, екіншісі қайралған сырық , ол жұмсақ серіппемен
дөңгелекке бастырылады. Доға разряды осы екі электродтардың арасында
жағылады да сырықты шашыратады. Серіппенің керілісі негізгі берілетін қуат
сырықта емес доғаға шығатындай реттеледі. Камера 100 тор көлеміндегі
қысымда гелиймен толтырылады. Разрядтың параметрлері келесі: ауыспалы
тоқтың күші 100-200 А, электродтардағы кернеу 10-20 В. Графит сырығының
булануының жылдамдығы 10 г ч-1 шамасында разрядпен қамтылады. Доға бірнеше
сағат жанғаннан кейін жез қабаттың суытылатын бетіне көміртегінің күйесі
жағылады, сосын оны ақырын қырып алып үш сағаттай қайнаған толуолға
салынады. Осылай пайда болған қоңыр-сұрғылт сұйық зат айналатын буландыру
құралына буланады, нәтижесінде қара ұнтақ шығады, салмағы басты көміртегі
күйесінің салмағынан 10 % құрастырады. Спертралды сараптама көрсететіндей,
бұл ұнтақ толығынан С60 және С70 фуллерендерден 10 : 1 көлемінде
құрастырылған. Сонымен суреттелген технология C60 және С70 фуллерендерді
граммдар көлемінде шығаруға жағдай туғызады. Процесстің параметрлері мен
қондырғыштың конструкциясының өзгеруі процесстің тиімділігінің және өнім
құрамының өзгеруіне әсер етеді. Кейбір суреттелген технологияның [27]
осындай модернизациялануы көмір конденсатын алуға мүмкіншілік береді, оның
толуолдың ерітіндісінен шығуы таза, фуллереннің басқа ешқандай қосындысыз
C60 – ты жасайды. Бұл жерде электрод ретінде екі ұшталған, біріне- бірі
ұшымен қаратылған графит сырықтары және өте төмен энергия салымдары(кернеуі
5-8 В, тоқ 100-180 А), жоғары қысымды гелий (180 тор) қолданылады.
Қондырғыштың өнімділігі таза C60 50 мг ч-1.Өнімнің жоғары сапасы масс-
спекторлық өлшемдермен, диагностикамен, ядро-магнитті резонанс әдісімен
анықталады.
2. Жоғары сапалы фуллерендерді өндіру
Егер таза С60-ты жасап алу үшін электр доға разрядын қолдануымен
шектелуге болады, жоғары сапалы фуллерендерді шығару үшін, сұйық
хроматографиямен негізделген күрделі экстракция процесін қажет етеді [8].
Бұл әдіс C60-ты С70 – тен [8] бөлуге ғана емес және жиі кездеспейтін С76,
С84, С90 және С94 фуллерендерді жинақтауға пайдаланылады. Бұл процесстер
C60 фуллеренді шығару процесімен қатар жүргізіледі, оның бөлектелінуі
жоғары сапалы фуллереннің қоспасын байытуға мүмкіншілік болады. Мысалы,
[9]жұмыста көмір электр доғасының әсерімен конденсатынан графит электродын
қыздырып буландыру арқылы таза фуллерен С60 гексанмен толуол 95 : 5
шамасында қоспасымен өнделіп алынған. Осылай таза C60 жуылып шығарылған.
Еріткіште толуолдың көлемі 50 % - дейін таза С70 шығарады, әрі қарай
көбейгенде төрт сары фракциялар шығады. Бұл фракцияларды алюминий бетінде
қайта хроматографиялау жеткілікті таза фуллерендерді С76, С84, С90 және
С94 алуға мүмкіншілік береді. Аталған фракциялардың біріншісі алюминий
бетінде адсорбияланған гексанмен толуол 95 : 5 шамасында қоспасы С70
молекуласын толығынан ерітеді. Қалған сарғылт конденсат толығынан С76
молекуласынан құрастырылған, мұны сұйық хроматографиялық талдаудың
мәліметтері дәлелдейді.
Жоғары қысымды сұйық хроматография жоғары сапалы фуллерендерді
шығарудың ең сенімді әдісі. Жоғары сапалы фуллерендердің С76, С84, С90 және
С94 салмақтарының үлесі С60 және С70, шығаруға қолданылатын бастапқы
көміртегі конденсатында 3-4%-дан аспайды. Осы әдіс конденсаттан С60 және
С70 фуллерендерді жуып алып, осы әдіспен белгілі құрамда миллиграмм
өлшемімен жоғары фуллерендер шығатын экстракты алуға болады. Фуллерендерді
бөлетін және фуллерен қосындысы бар күйе ерітіндісінің қайнау күйінде [10,
11], хроматографиялық әдістің әрі қарай модернизациялануы бірқатар
ерітіндінің шығынын қысқартады және фуллерендерді тазалау деңгейін
жоғарылатады.
Фуллерендерді сепарациалау және тазалау хроматографиялық
технологиясының біраз жетістіктері болса да жоғары фуллерендерді
макроскопиялық санда алу, конденсатты күйінде олардың қасиеттерін жан-
жақты зерттеу мәселесі әлі толық шешілмеген. Ең жақсы хроматографиялық
қондырғыштардың өнімділігі сағатына бірнеше миллиграммнан аспайды, нақты
зерттеуге жетіспейтіні байқалады. Жоғары фуллерендердің (С76, С84) құны
әлем нарығында бір грамы мың доллар тұрады, сондықтан ғылыми
лабораторияларда алу өте қиынға түседі. Соған байланысты, бүгінгі күні
жоғары фуллерендер шығаратын жаңа арзан әдістер іздестірілуде. Жуырда
басылымда шыққан жұмыстар зор сенім білдіреді, мұнда электдоғалы және
жоғары фуллерендердің сұйық күйін қосуға тырысуда. Бұл жұмыста фуллереннің
толуол мен бензолда ерітіндісі, тиісті еріткіште графит электродының
доғасынан тұрақты тоқтың разрядын өткізу нәтижесінде жасалынады.
Масс-спектрометриялық талдауы бойынша еріткіш СSO кластерімен
толтырылады, атомының саны 4 тен 76-ға дейін өзгеретін. Гелийдің
атмосферасындағы масс-спектра электротермикалық графиттің жіктелуі, аталған
масс-спектрінде С60 фуллерені көп емес. Cso кластері де ең жоғары
концентрациясымен сипатталады, олардың саны C60 фуллерендерінің санынан 3-
8 есе көп. Ал, жоғары фуллерендердің концентрациясы п 60 –тан бастап C60-
концентрациасының санына тең. Бұл жағдай жоғары фуллерендерді өндіруді C60-
қа тиісті деңгейіне дейін жеңілдетуге және құнын төмендетуге мүмкіншілік
береді.
Графиттің құрылымында фуллерендердің құрылымына көп ұқсастығы
болғандықтан, ол фуллерендерді шығаруда ең бір оптималды материалдарға
жатады. Бірақ фуллерендер басқа да көміртегінің материалдарынан да
алынады. Мысалы, пиролизде бірқатар көміртегінің қосылулары температурасы
370-500 °С [14] алынған С60 сұйық кристалды мезофазалар [13] қайнар
көзінде қолданылады. [13] жұмысында пайдаланған сұйықкристалды мезофаза
сағыз сияқты материал — 2,5 сағат ішінде сутегінің қысымы ~ 100 атм
шамасында көгілдір көмірдің үздіксіз гидрогенизацияның нәтижесіндегі
өнімі болып табылады. Камерада 400 °С температурада жеңіл фрагменттер
ұшып кеткеннен кейін төмен қысымымен, 92,7 % көміртегі, 4,8 % сутегі, 1 %
азот және 1,5 % оттегінен құралған хош иісті 0,82% мезофаза қалыптасқан.
Мезофазаның беті лазер сәулесі түсуі құрамында көп C60 бар ұшатын
фракциялар пайда болады. Көмірдің пиролизін және құрамында көміртегі бар
қосылулар фуллерендерді шығарудың келешекте бір өндіріске қажетті бағыты
болып табылады.
Фуллерендерді шығару мәселесінде дәстүрлі емес, дәстүрлі емес
үйренуге орында мысал ретінде жақын арада шыққан Р. Тейлордың және
басқаларының жұмыстарын жатқызуға болады [15]. Бұл жұмыста, нафталиннің
пиролизі нәтижесінде, C60-тың тиімді синтезінің мүмкін екені көрсетілген.
Нафталиннің пиролизі пропан горелкасымен қыздырылған 1300 К кремний
түтікшесінде жасалған. Пиролиз өнімдерінің масс-спектрлі сараптамалары С60
фуллеренінің ( процент шамасында) көлемі әжептәуір екенін көрсетеді. Одан
басқа, пиролиз өнімдерінің масс- спектрлі зерттеу C60 синтезінің механизмін
және басқа да фуллерендерді қайта орнына келтіруге жағдай туғызады.
Нафталлин молекуласы, формуласы СШН8, көміртегінің екі хош иісті
дөңгелегінен құралған және жоғарыдағы жұмыстарда [18 19 көрсетілгендей C60
молекуласына синтездеуге даяр элемент болып табылады. C60 молекуласын
синтездеу әдісі екі қабатты хош иісті дөңгелегі түрінде осы мақаланың 3-ші
суретінде көрсетілген. Фуллерен өндірісіндегі технология саласында ақырғы
кездегі жетістіктер [16, 17] басылымдарда басылып шығарылған.
2.3 Фуллерендерді тазалау әдістері
Фуллерендер қалыптасуы және өнімді детективциялау туралы нақты
ақпараттар спектралды талдаудың негізі ретінде пайдаланылады. Ол сонымен
қатар фуллерендерді салыстыру әдісіне де жатады. Мысалы, C60 молекуласын
жұтатын инфрақызыл спектріне кедей осы молекуланың симметриясының
жоғарылығының тікелей белгісі, ақырында оның құрылымының айқын дәлелі [6,
14 18]. C60 молекуласын жұтатын ИК-спектрінде төрт мықты жұту сызықтары
бөлінеді энергия орталығымен 1429, 1183, 577 және 528 см-1 және
диапазонда 3-10 см"1 өзгертілетін көлденеңінің ұзындығымен. Егер фуллерен
молекуласы атмосферада шамалы көлемде болса, олардың барлығы осы жұтатын
жолдармен қабылданады. Нақты осы факті фуллерендер өндірісінде бүгінгі
күннің жаңа технологиясын шығаруда басты рөлді атқарды, себебі авторлар
шаңды жұту спектрінде екі өркешті құрылымды байқап, оны күшейтуге
тырысқан. Егерде фуллерен 13С изотопынан тұратын болса, жұту жолдары
қызыл салаға қарай жылжиды. C60 фуллереннің ИК-жұту спектрінде көрсетілген
ауыстыру энергиясы, C60 құрылымы мотақ икосаэдр болады деген жобамен
орындалған [23,19-24]есептеріне ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz