Cấu trúc hình dạng và chức năng củaFullerenes

Fullerites được hình thành do sự kết tinh của fullerence fullerites có cấu trúc lập phương tâm mặt với tham số là 14,198 A0 và trưng bày các phân tử vô định hướng.. Fullerenes cũng đã mở

GVHD: Trần Văn Khải Nhóm : 7 Nguyễn Văn Huân V1101314

Trần Thế Hiển V1101168 Trần Thanh Phong V1102559

Đỗ Tuấn Anh V1100054 Nguyễn Bá Thịnh V1103409

Ng.Linh Bảo Giang V1100910

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM

Khoa công nghệ vật liệu Môn học: Vật liệu mới

Bài tập tiểu luận: “Fullerenes và những cấu trúc khác:

Sự đa dạng, hình dạng và chức năng ở trong những

cấu trúc nano cacbon kín”.

I Hình dạng và đặc điểm của cấu trúc fullerenes.

II Các phương pháp tổng hợp

III Thuộc tính hóa lý của fullerence

IV Các ứng dụng của fullerence

I Hình dạng và đặc điểm của cấu trúc fullerenes:

1 Cấu trúc nano kín.

- Buckminsterfullerene là một phân tử fullerene dạng cầu

với 60 cacbon Có cấu trúc nano có thể có độ cong để tránh các liên kết kém bền và trở nên ổn định hơn.

-Xét trong không gian 3D bề mặt chìm bên trong chỉ hiện 2

độ cong chính Các sản phẩm của độ cong gọi là độ cong Gauss K và bình thường được gọi là độ cong trung bình H

+ Trong hyperbolic các độ cong chính có điểm khác nhau, và

do đó sản phẩm luôn không thích hợp Điều này có nghĩa là các điểm là điểm uốn, và đường cong theo chiều ngược nhau.+ Trong tự nhiên, ít có sự khác nhau ở mức phức tạp, bao

gồm các cấp độ nguyên tử, nó có thể xác định các đối tượng

0, độ cong dương và âm

2 Cấu trúc nano zero, uốn cong dương và âm

-Graphit là một tinh thể được hình thành bởi các nguyên tử cacbon tạo hình lục giác Một lớp duy nhất của than chì gọi

là graphen Trong graphen, độ cong chính là 0

-Các nhà toán học đã xác định một bề mặt tối thiểu như một

bề mặt bằng 0 có nghĩa là độ cong tại tất cả điểm Dó đó, bề mặt tối thiểu là bề mặt được hình thành cong đối xứng

Hình a, b ngũ giác trong một graphitic mảnh gây ra độ cong Gauss dương Hình c,d hình bảy góc trong một mảnh graphitic gây ra độ cong Gauss âm

3 Classical fullerenes và nonclassical fullerenes

- Một fullerenes có thể được hiểu như là một lớp vỏ carbon khép kín, trong đó mỗi nguyên tử carbon được phân chia bởi nguyên tử xung quanh

- Classical fullerenes chứa vòng lục giác và 12 vòng ngũ

giác của cacbon

Hình a Classical C40 fullerene Hình b Classical C80

fullerene

- Nonclassical fullerenes đưa ra vòng với số lượng ít hoặc nhiều hơn sáu nguyên tử carbon, có thể là vòng vuông hoặc vòng bảy cạnh Đối với mỗi vòng bảy

cạnh, them vòng Ngũ giác là cần thiết để bù đắp cho

độ cong Gauss âm của vòng bảy cạnh (Hình 3.5d) Fullerene mà trong đó có sáu vòng vuông cũng có thể

là coi như nonclassical

Hình c Nonclassical fullerene C62

-Thực nghiệm người ta thấy rằng các fullerene nhiều nhất

là C69 hay Buckminsterfullerene, được tổng hợp bởi

Kroto và đồng nghiệp vào năm 1985 bằng cách sử dụng tia laser

- Một cách khác nhau để tổng hợp fullerene là do phóng điện hồ quang điện, được sử dụng bởi Krätschmer và

đồng nghiệp vào năm 1990

- Nhưng những thí nghiệm tia lazer mà được tiến hành ít với C60 và

những fullerence khác, điều này ngăn cản các nhà khoa học xác định cấu trúc chính xác và tính chất hóa lý của chúng

2.Phương pháp hồ quang điện.

- Năm 1990 Krätschmer sử dụng một lò hồ quang điện với 2 điện cực thanh grahit trong điều kiện khí trơ để ngăn cac phản ứng xảy ra Lượng

C 60 thu được bằng phương pháp này đủ để hòa tan nó trong benzen và kết tinh lại

- Một phương pháp khác ở nhiệt độ cao liên quan đến hồ quang điện sản xuất C60 và fullerence cao hơn liên quan đến một

plasma ghép trong đó một là plasma và tấn số vô tuyến, một trực tiếp tại nguồn DC bắn tia lửa điện hoạt động với nhau có thể tạo

ra sự bay hơi của cacbon

3 Phương pháp nhiệt phân .

Năm 1993, phương pháp sản xuất C60 và C70 bằng cách:

• Nhiệt phân naphthalene ở 1000oC

• Nhiệt phân các tiền chất hữu cơ khác như binaphthyl và

oligonaphthylene ở 1100 ◦C

Tổng hợp C60 ở 700 oC khi khử CO2 với lithium kim loại

Hơn nữa, C60, C70, và fullerene cao hơn đã được thu được bằng cách nhiệt phân ống nano carbon đơn vách 1200 ◦C

4 Phương pháp tập trung dòng năng lượng mặt trời.

Bức xạ mặt trời có thể được tập trung và kiểm soát để xây dựng lò mà có thể đạt nhiệt độ cao khoảng 3000oC và do

đó làm bay hơi graphit để tạo fullerene Mặc dù phương pháp này liên quan đến nhiệt độ cao như trong phóng điện

hồ quang và cắt lazer, nó có thể được mở rộng để tăng

năng suất

III Thuộc tính hóa lý của fullerence.

1 Cơ tính và chuyển pha bán dẫn fullerence.

Fullerites được hình thành do sự kết tinh của fullerence fullerites có cấu trúc lập phương tâm mặt với tham số là

14,198 A0 và trưng bày các phân tử vô định hướng

Khi nhiệt độ giảm xuống còn 294K các phân tử C60 bị lệch và lập phương tâm mặt thay đổi đến giai đoạn một khối đơn giản

C60 fullerit ổn định ở áp suất thủy tĩnh 20Gpa, nhưng khi

áp lực là nonhydrostatic, thay đổi được tạo ra, hạ thấp tính đối xứng của tinh thể C60

Regueiro và đồng nghiệp thấy rằng áp lực nonhydrostatic lên fullerence có thể dẫn đến kim cương đa tinh thể ở nhiejt

độ phòng

2 Thuộc tính điện va siêu dẫn của fullerence:

Chất bán dẫn của các tinh thể fullerite với khoảng cách Eg trên 1.5eV.

Những tấm film (màng mỏng) của C60 và C70 pha tạp với các kim loại kiềm (Rb, K, hoặc Cs) dẫn điện.

Trong các pha AC60fullerite, nơi Ais Rb, K, hoặc Cs, liên kết do [2 + 2] liên kết xyclo giữa các phân tử C60 được quan sát, kiềm ) làm giảm 9% của các thông số ô trong một hướng và vì vậy dẫn đến trùng hợp của các phân tử C60 theo một hướng.

Tuy nhiên, sự siêu dẫn đã được quan sát thấy ở nhiệt độ thấp C60

fullerite pha tạp với các nguyên tử kali thể hiện nhiệt độ siêu dẫn ở 18 K.

Theo phân tích của Rietveld dữ liệu nhiễu xạ x-ray, các siêu dẫn pha

K3C60 tương ứng với (ô mạng Fcc) với các nguyên tử kali chiếm các lổ

trống.

Nhiệt độ siêu dẫn có thể được tăng lên đến 28 K khi sử dụng Rb và lên đến 33 K khi sử dụng cesium và rubidium cùng với với nhau.

3 Hóa học của fullerence.

C60 và fullerene hơn đã mở ra một hướng hóa học mới, trong đó fullerenes nắm vai trò quan trọng.

Đóng một vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học: Có 30 6) liên kết tại các nút giao giữa hai vòng cyclo với chiều dài liên kết của ca 1,38 Å Các liên kết này có một liên kết đôi

Mặt khác, có 60 liên kết giữa ngũ giác lân cận và hình lục giác (6-5) với chiều dài khoảng 1,45 Å

Sự ra đời của một liên kết đôi giữa một hình lục giác và ngũ giác đều tiêu tốn năng lượng (khoảng 8,5 kcal / mol).

Vì vậy, thông qua các liên kết đôi, C60 có thể tương tác với các

nguyên tử hay phân tử khác

Thí nghiệm tính chất điện cho thấy quá trình oxy hóa của C60 và C70 xảy ra rất khó khăn

IV Các ứng dụng của fullerence.

Một trong những mong đợi của công nghệ nano là để giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến sức khỏe, năng lượng và môi trường Trong bối cảnh này, các nhà nghiên cứu fullerene

đã có những đóng góp quan trọng cho thấy tiềm năng của các phân tử tuyệt vời Trong phần này, một số tiến bộ phù hợp nhất được trình bày

Fullerenes cũng đã mở ra lĩnh vực nghiên cứu cơ bản khác với các vật liệu liên quan như carbon onions, trong đó bao gồm fullerenes lồng nhau, peapods fullerene, fullerene cao ,

fullerene vô cơ được làm bằng kim loại chalcogenides, và kim cương nano

1 Fullerence và sức khỏe.

Các ứng dụng dẫn xuất fullerene có thể có như sử dụng trong các loại thuốc chống oxy hóa và các tác nhân bảo vệ thần kinh, hoạt động chống lão hóa, phân chia DNA, ức chế enzyme, hoạt động kháng khuẩn, điều trị bệnh loãng xương, các kháng thể đơn dòng antifullerene, tác nhân tương phản và chất phóng xạ, và các ngân hàng duy truyền gen Ngoài ra, fullerene có thể giúp đỡ trong

việc ức chế phản ứng dị ứng

2 Fullerence trong tế bào năng lượng mặt trời:

Các dẫn xuất fullerene hòa tan cao như methanofullerene [6,6] -phenyl C61-butyric acidmethyl ester, một azafulleroid mới, và một quasifullerene ketolactam đã được tổng hợp để sử dụng như chất nhận electron trong các tế bào năng lượng mặt trời bằng

nhựa

3 Nested Fullerenes: Carbon Onions.

Là một sản phẩm phụ của các thí nghiệm hồ quang phóng điện, nó thường được tìm thấy, bên cạnh các ống nano

carbon và C60, hạt đa diện của carbon mà trông giống như fullerene lồng nhau

Hình (a) Carbon onions thu được bằng cách chiếu xạ electron và nung nóng Khoảng cách graphitic bên trong onions là ngắn hơn so với bên ngoài do các hiệu ứng áp lực (sau khi [3,111], lịch sự của Elsevier) (B) Mô hình của một carbon onions trong đó các cầu thể của cấu trúc nano thu được bằng việc bổ sung các hình bảy góc-ngũ giác cặp carbon: mô hình Terrones (c) Cắt của onions được hiển thị trong (c) mô tả một số fullerenes lồng nhau

Hình.a-c ảnh phóng to icosahedral (Ih) fullerene: (a) C540, (b) C960, và (c) C1500)

Hình 3.9 (a) lớp vỏ “Carbon onion” và mầm kim cương được gieo vào trung tâm

(b) mô hình của carbon onion hai lớp với nhân kim cương

(c) hình (TEM)

*Áp lực bên trong lớp vỏ carbon và sự nhiễu xạ e- giúp hình thành kim cương

4 Ứng dụng của carbon onion:

• Sử dụng như vật liệu mục tiêu x-ray

• điện cực trong pin LiIon

• hấp thụ sóng băng thông rộng

Vd:,khi carbon onion chứa Ni là vật liệu hấp thụ tốt sóng điện từ ở dải 2-18 GHz

• Tạo nguồn phát xạ e- (Gắn trên đỉnh của dây

nano vonfram) duy trì và ổn định kéo dài dòng phát xạ ở 100μA

• Trong sinh học, được sử dụng như các cảm biến

sinh học với độ độc hại nhỏ hơn TiO2

• Carbon onion với nhân nano Fe-Co được hòa tan

và dùng trong chụp cổng hưởng từ

• cũng dùng điều trị quang nhiệt trong môi trường từ

tính

5 Fullerene Peapods(ống)và fullerene Coalescence(sự kết hợp)

Fullerene Peapods Hình thành trong quá trình làm bốc hơi bằng laser.

Hình 3.10 (a) Các ống nano carbon với C60

bên trong gọi là fullerene peapods

(b)một mặt cắt cho thấy các phân tử C60 bên

trong (Hình 3.10)

Hình 3.11 Dãy ảnh TEM hiển thị hóa hợp của C60 trong lòng của một SWNT bị cô lập.(a) hình dạng ban đầu với một

lương e- tối thiểu

(b-h) hình ảnh liên tiếp ghi lại trong khoảng thời gian 60-90 s.Hình dạng tạo thành do sự hợp nhất C60-C60 trội hơn C60-SWNT

Hình 3.12 (a) ống nano

carbon với các phân tử C60 hợp nhất hình thành một ống nano dạng sóng

(b) ảnh (TEM) của một ống nano carbon với ống dạng sóng bên trong được gọi là fullerene coalescence

phân loại theo dang hình học của chúng

Hình 3.13 mô hình 1 nano dạng hình xuyên

Hình 3.14a-c fullerene với 11 lỗ thủng, hình khối 20 mặt đối xứng, và 2040 nguyên tử carbon

Boron nitride (BN) và molypden, vonfram, và rhenium disunphua là vật liệu có cấu trúc lớp như Graphite và graphene.

Hexagonal BN gồm lớp phẳng lục giác với vòng Hexagonal xen kẽ boron và nitơ nguyên tử

Trong trường hợp của BN fullerenes, phải được đảm bảo cấu trúc kín và đảm bảo thành phần hóa học (Hình 3.15) Bát diện BN lồng fullerenes (lên đến ba lớp) đã được tìm thấy bằng cách chiếu xạ electron.

7 Fullerene vô cơ (BN, MoS2, NbS2, vv)

Hình 3.15 Boron nitride lồng

B64N64 đối xứng

Nhóm của Tenne thấy rằng một số kim loại có thể có khả năng tạo thành cấu trúc giống fullerene và các ống nano

Những cấu trúc giống fullerene như thế xuất hiện đối

xứng bát diện và sở hữu sáu lỗ hổng vuông giống như

(Hình 3.16).

(c) khiếm khuyết hình bát diện

(các nguyên tử nhỏ hơn là các nguyên tử kim loại)

Hình 3.17 vonfam sunfua WS2

8 Nanodiamond

Kim cương nano là cụm nhỏ carbon sp3 mà mỗi nguyên tử được kết nối đồng hóa trị với bốn hạt lân cận, ngoại trừ các hạt biên

Theo Shenderovaet al, có hai nhóm lớn các nanodiamond:

• kim cương nano như là sản phẩm cuối thu được từ các

phương pháp như chiếu xạ electron Carbon onion,màng kim cương ultrananocrystalline, và kim cương ultradispersed thu được từ vụ nổ tổng hợp

• Các nhóm khác đó là kết quả của quá trình phát triển không

liên tục cấp micro hoặc macrodiamonds khoảng 10-20% carbon giữa các vì sao(thiên thạch là trong kim cương nano

.

Tính chất:

• Người ta thấy rằng kim cương nano có kích thước từ 2-10 nm không độc hại Các tính chất phát quang của kim cương nano cho phép sử dụng chúng như là vật đánh dấu sinh học, mà nó có thể ứng dụng trong tương lai để xác định các khối u

• Diamonoids như hình(Fig 3.18) Trong đó những phân tử có thể là: adamantane (C10H16), iceane (C12H18), diamantane

(C14H20), triamantane (C18H20), pentamantane (C25H30), và superadamantane (C35H36)

• Diamonoids lớn hơn đã được tách ra từ dầu mỏ và có thể có ứng dụng trong sinh học cũng như điện tử và lĩnh vực phát xạ

Hình 3.18 Nanodiamond

bão hòa hydrogen

Kết luận

Buckminsterfullerene (cấu trúc cầu C,rất ổn định) mở ra lĩnh vực cấu trúc nano carbon, Củng cố cho khoa học và công nghệ nano Mang lại một cách mới cho khoa học liên quan đến multidisciplinarity toàn bộ các ứng dụng

mới cho vật liệu nano lớp là vô cùng hứa hẹn, và chắc chắn là các công trình mới sử dụng vật liệu tiên tiến trong thế kỷ 21 sẽ bao gồm fullerenes, các ống nano carbon, graphene, grapheme nanoribbons, cacbon onion, cacbon xốp, boron nanoribbons nitride, và các cấu trúc nano chalcogenide kim loại.

Ý tưởng về sản xuất, trong bất kỳ là vật chất lớn, một lớp mỏng, dày một nguyên tử, và uốn cong nó theo những cách khác nhau, mở ra con đường mới trong kiến trúc tiên tiến.kỹ thuật mới đặc trưng và các công cụ này sẽ ngày một phát triển đề đáp ứng các nhu cầu sử dụng chúng

Những vật liệu nano sẽ đóng một vai trò thiết yếu trong những thách thức trước mắt như sản suất hiệu quả nguồn năng lượng, xử lý môi trường và vấn

đề sức khỏe Không phải ngẫu nhiên mà hai cấu trúc nano carbon, C60 và

graphene, đã được trao hai Giải thưởng Nobel trong hai lĩnh vực khác nhau .