1 / 50

KCH/NANTM

KCH/NANTM. Přednáška 8 Uhlíkaté NM. Obsah. Fullereny Nanotrubičky Grafen Aerogely. Fullereny. Fullereny. 1985 Harold W. Kroto Výskyt ve vesmíru R. F. Curl, R. E. Smalley Syntéza Nejčastěji C 60 1996 – Nobelova cena. Fullereny. První exprimenty pro přípravu

kineks
Download Presentation

KCH/NANTM

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KCH/NANTM Přednáška 8 Uhlíkaté NM

  2. Obsah • Fullereny • Nanotrubičky • Grafen • Aerogely

  3. Fullereny

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

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

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

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

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

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

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

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

  12. Fullereny - struktura • Fullereny v řadě • C60 • C70 • C76 • C78 • C80 • C82 • V84 • Četnost výskytu nad C70 rapidně klesá • Další fullereny • C240, C330 • https://www.ccs.uky.edu/~madhu/Giant_Fullerene.html

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

  14. Fullereny - fullerity • Vyšší fullereny – složitější struktury • Varianty materiálů • Teplota • Tlak – redukce vzdálenosti • Kombinace • C60 • Krychlová symetrie • Volná rotace • Nízké teploty (pod -100°C) – kmity • Možnost vložení cizích atomů

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

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

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

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

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

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

  21. Fullereny - příprava • Makroměřítko • Odporové zahřívání uhlíkaté elektrody • He atmosféra • Uhlíkaté plasma • ochlazení proudem He • Nanosaze – 10 % fullerenů • Následná extrakce • C60/C70 85/15 • Různá omezení – nevhodné pro průmysl

  22. Fullereny - příprava • Makroměřítko • Nemožnost syntéze kontinuálně • Separace představuje 85% nákladů • Cena 18 330,- bez DPH/5g (Sigma-Aldrich) • Separace • Extrakce s použitím organických rozpouštědel • Rozpouštěcí metoda • Toluen • Fullereny přejdou do roztoku • Opakování

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

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

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

  26. Fullereny - aplikace • Medicína a farmacie • Nosiče léků • Kontrastní látky • Minimalizace vedlejších účinků • Interakce s enzymy, proteiny a DNA • Fullerenová chemie • Syntéza derivátů • Rozpouštědla • Katalyzátory • Odolné nátěry • Fullereny interkalované organikou - paramagnetické

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

  28. Nanotrubičky

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

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

  31. Nanotrubičky - struktura • Většinou uzavřené konce • Konce podobné fullerenům

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

  33. Nanotrubičky - struktura • Z chemického hlediska nereaktivní • Modifkací možno dosáhnout rozpustnosti v organických rozpouštědlech • Částečná oxidace koncových částí • Koncentrovaná kyselina dusičná • Ultrazvuk • Obtočení polymery • Modifikace „naplněním“ vnitřních prostorů • Nanovodiče, nandrátky

  34. Nanotrubičky - příprava 3 základní postupy • Syntéza v elektrickém oblouku (dischargemethod) • Rozklad plynných uhlovodíků • Katalýza na částicích kovů • Metoda katalytické chemické depozice par (CCVD) • Laserová ablace

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

  36. Nanotrubičky – vlastnosti, využití • Jedinečná elektronová struktura • Dobré mechanické vlastnosti • Umožňují výzkum fyzikálních jevů na atomární úrovni • Vykazují katalytické a supravodivé vlastnosti • Vysoká pevnost a pružnost • Vodivé pro elektrický proud (SWNT) • Úprava na polovodiče

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

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

  39. Grafen

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

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

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

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

  44. Aerogely

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

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

  47. Aerogely • Typy sušení • Superkritické sušení – rozpouštědlo (nejčastěji organické) je přivedeno do superkritického stavu • Superkritické sušení s CO2 – vyvinuto biology (EM), CO2 má nízkou kritickou teplotu a tlak • Mrazové sušení – lyofilizace, kapalina v pórech je zmrazena a následně odsublimována za vakua • Sušení za normálních podmínek • Nutnost při sušení odstranit rozpouštědlo, ale zachovat strukturu

  48. Aerogely - typy • Anorganické • Prekurzory anorganické – sloučeniny křemíku, hliníku ad. • Organicko-anorganické • Směsné prekurzory • Organické • Organické prekurzory – resorcinol+formaldehyd, resorcinol+furfural ad. • Uhlíkaté • Pyrolýza organických aerogelů

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

  50. Pro dnešek vše 

More Related