Синтез фуллеренов и нанотрубок

2.5 Синтез фуллеренов и нанотрубок

Фуллерены и нанотрубки — это об­ширные классы интереснейших нано­структур. Например, среди фуллере­нов известно множество частиц и изо­меров от малых (С₂₀, С₂₈) до гигант­ских (С₂₄₀, С₁₈₄₀) с совершенно различ­ными свойствами. Получены многооболочечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из нескольких вложенных друг в друга структур.

Синте­зированы фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы (фуллериты), допированные кристаллы (фуллериды) как с собственными структурами, так и повторяющие строение обычных кри­сталлов. Например, фуллерен С₂₈ име­ет ту же валентность, что и атом углерода, и образует устойчивый кристалл со структурой алмаза — гипералмаз. В последние годы обнаружено много молекул неорганических веществ (ок­сидов, дихалькогенидов металлов и прочих), по своей структуре подобных фуллеренам.

Из нанотру­бок получают очень интересные мате­риалы, например уникальной прочности нанобумагу: это плотные пленки из пе­реплетенных, подобно растительным во­локнам, жгутов нанотрубок. Недавно китайские специалисты научились прясть нанотрубки и получать таким образом углеродные нитки. Если вспомнить, что прочность нанотрубок в 50-100 раз больше, чем у стали, то становится понятно, что подобные изобретения человечеству весьма пригодят­ся. Найдены вполне реальные облас­ти применения нанотрубок — напри­мер, в плоских дисплеях (фирма «Mo­torola»), которые превосходят плаз­менные и жидкокристаллические ана­логи, и в нановесах, позволяющих взвесить объекты массой около 20 фемто-грамм (1 фг =10^-15 г) - в час­тности, вирусы.

2.6 Химия одиночной молекулы

Сегодня ученые могут увидеть и распознать одну молекулу и даже манипулировать ей. Новое знание позволяет, например, увидеть поверхностные комплексы, катализирующие многие процессы. А главное, что можно уже не только увидеть, но и манипулировать молекулами, и моделировать из них разные наноструктуры.

Основное в химии одиночных молекул - анали­тические методы. Сканирующий электронный микроскоп (СТМ) был создан в 1982 году, и тог­да же во многих научных центрах начали актив­но развиваться методы, с помощью которых можно наблюдать за отдельными молекулами. Хотя теоретически все было подсчитано и пред­сказано, понадобилось почти 20 лет, чтобы по­лучить первый колебательный спектр одной ад­сорбированной частицы.

Рисунок 1 – Сканирующая туннельная микроскопия

Идея сканирующей туннельной мик­роскопии проста (рис. 1) - игла туннель­ного микроскопа направлена на моле­кулу, расположенную на поверхности твердого тела. Расстояние между иг­лой и молекулой должно быть больше, чем размеры молекулы, чтобы не пе­рекрывались атомные орбитали острия и поверхности. Между острием иглы и поверхностью подают напряжение. В какой-то момент напряжение, а значит, и энергия туннелирующих электронов попадает в резонанс с электронно-ко­лебательными уровнями адсорбиро­ванной молекулы, и происходит рез­кий скачок проводимости. Значение на­пряжения, при котором происходит скачок туннельного тока, строго инди­видуально для каждой молекулы, а по­тому дает ее точный «портрет».

Безусловно, улучшается качество знания и его точ­ность. Вместе с тем есть области, в которых химия одиночных молекул и связанные с ней технологии приносят действительно новые и иногда неожи­данные знания. Например, гетероген­ный катализ и биологическое подраз­деление химии ожидает подъем имен­но на базе новых технологий.

Хи­мия одиночных молекул - это в пер­вую очередь инструмент для управле­ния химическими реакциями, а также для создания новых высоких молеку­лярных технологий.

Исследователи учатся манипулировать отдельными молекулами и атомами. Все это необ­ходимо для создания молекулярных конструкций — элементов наноэлектроники, нанооптики или наномеханики. Возможно, в этом главное дости­жение химии одиночных молекул.

Если подытожить все, что уже на­учились делать с отдельными молеку­лами, то получится весьма внушитель­ный список: ученые умеют вращать одну молекулу и ориентировать ее поверхности; заставлять ее перехо­дить с одного места на другое (не только по плоскости, но и по вертика­ли - с иглы на поверхность и обрат­но); помещать в нужное место и раз­рывать. Зачастую все эти манипуля­ции контролируют с помощью всего двух параметров — тока и напряже­ния.

Сканирующие туннельные микро­скопы и родственные им приборы ис­пользуют в качестве рабочих инстру­ментов, чтобы из отдельных атомов строить наномасштабные конструкции. Свойства подобных наноконструкций уникальны. Они могут иметь рекорд­ную твердость или легкость, высокую адсорбционную или реакционную спо­собности. Можно направленно изме­нять проводимость таких конструкций, варьируя их атомное строение или воздействуя магнитными полями. Эти технологии порождают множество идей: как применять такие наноматериалы в разных областях химии, элек­троники, техники и медицины.

2.7 Электровзрывная активация пульпы и растворов

Применение электровзрывной активации пульпы и растворов является перспективным направлением интенсификации процессов пе­реработки минерального сырья и очистки сточных вод, повышающим степень извлече­ния ценных компонентов при снижении отри­цательного воздействия производства на окру­жающую среду.

На широком экспериментальном материа­ле изучено влияние импульсных полей взрыв­ного типа на изменение физико-химических свойств минеральных продуктов и водных растворов. Даны электрические и гидродина­мические характеристики процесса электро­взрывной обработки водных гетерогенных рас­творов. Установлено влияние ЭВА на измене­ние структурных и физико-химических свойств сульфидных и окисленных минералов.

Анализ проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы:

-кратковременное импульсное воздейст­вие высоковольтным разрядом большой мощ­ности способствует разупрочнению руды и создает условия для качественной пульпоподготовки при сокращении времени измельче­ния руды на 10... 15 мин по сравнению с из­
мельчением без ЭВА;

-технологические особенности электро­взрывной пульпоподготовки необходимо рас­сматривать во взаимосвязи с основными гид-­
родинамическими характеристиками процесса; для процесса ЭВ пульпоподготовки сущест­венную роль играют послеразрядные явления и вторичные волны сжатия;

-ЭВА интенсифицирует процессы сгуще­ния промпродуктов в 2,5— 3 раза и сокращаетвремя осветления коллоидных частиц, содержащихся в сточных водах предприятий;

-под действием ЭВ наблюдается деструк­тивное разрушение токсичных органических реагентов, присутствующих в сточных водах многих химических предприятий; совмеще­ние ЭВ с аэрацией диспергированным возду­хом или озоно-кислородной смесью позволя­ет эффективно осуществить очистку от таких токсичных соединений, как цианиды, фено­лы, фурфурол.

Рассмотрены перспективы применения ЭВА в различных химических технологиях пе­реработки минерального сырья. Созданы и прошли испытания в промышленных услови­ях электровзрывные установки для активации минеральных пульп на Кентауской обогати­тельной фабрике и Норильском ГМК, по ос­ветлению растворов на ОАО "Красноярский алюминиевый завод" и ОАО "Ачинский гли­ноземный комбинат", по очистке сточных вод на ОАО "Ачинский нефтеперерабатывающий завод", ОАО "Красноярский биохимзавод", Красноярский химкомбинат "Енисей".

Список литературы

1. Бутин К.П. Механизмы органических реакций: достижения и перспективы - Российский химический журнал, сер.2, том XLV, 2001, №2

2. Бучаченко А.Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы – Успехи химии, 1999, том 68, с. 85-1

3. Зефиров Н.С. О тенденциях развития современной органической химии – Соросовский Образовательный Журнал, 1996

4. Саркисов О.М., Уманский С.Я. Фемтохимия – Успехи химии 2001, т.70, №6, с.515-538

5. Сумм Б.Д.,Иванова Н.И. Коллоидно-химические аспекты нанохимии от Фарадея до Пригожина – Вестник Московского Университета, Химия 2001, том 42, №5, с.300-305

6. Шепелев И.И., Твердохлебов В.П. Электровзрывная обработка водных пульп и эмульсий – Химичеякая технология, 2001 ℀1, с. 2-14, №2 с.3-18.

7. Благутина В.В. Химия одиночных молекул – Химия и жизнь, 2004, № 9, с.14-19.

8. Ивановский А.Л. Фуллерены и нанотрубки - Химия и жизнь, 2004, № 8, с.20-25.

9. Бучаченко А.Л. Спиновая химия - Химия и жизнь, 2004, № 3 с.8-13.