Аллотропные модификации углерода: фуллерены, графен, углеродные нанотрубки: строение, свойства, способы получения

Аллотропные модификации углерода: фуллерены, графен, углеродные нанотрубки: строение, свойства, способы получения

Курсовая работа на тему

«Аллотропные модификации углерода: фуллерены, графен, углеродные нанотрубки: строение, свойства, способы получения»

Оглавление

Введение

. Графен

. Структурные особенности графена

. Структурные дефекты графена

. Свойства графена

. Получение графена

. Применение графена

. Фуллерены

. Строение фуллеренов        

. Свойства фуллеренов

. Получение фуллеренов

. Применение фуллеренов

. Углеродные нанотрубки

. Структура нанотрубок

. Свойства нанотрубок

. Получение нанотрубок

. Применение нанотрубок

Заключение

Литература        

Введение

Атом углерода, будучи элементом четвертой группы главной подгруппы Периодической Системы, имеет в своем обычном состоянии два неспаренных валентных р-электрона на внешнем электронном уровне: 1s22s22p2. При переходе в возбужденное состояние один электрон с 2s-подуровня переходит на вакантную 2p-орбиталь, таким образом реализуется высшая валентность атома углерода, и образуется атом с четырьмя неспаренными электронами. Несмотря на то, что возбужденное состояние является менее энергетически выгодным состоянием атома, большинство известных углеродных соединений содержат углерод именно в четырехвалентном состоянии, так как выделяющаяся при образовании новых ковалентных связей энергия компенсирует энергетические затраты на переход электрона с s-подуровня на р-подуровень. В процессе образования четырех ковалентных связей происходит выравнивание s и р-электронных облаков с образованием одинаковых по форме и энергии гибридных орбиталей, участвующих в перекрывании. В зависимости от типа гибридизации образуются различные по строению структуры: линейная (одномерная), плоскостная (двумерная) или объемная тетраэдрическая (трехмерная) структуры. Понимание связи между типом гибридизации электронных облаков и строением молекул или кристаллов очень важно при изучении углерода и его многочисленных форм и соединений.

Еще одной важной особенностью атома углерода является его способность образовывать высокомолекулярные структуры: замкнутые и незамкнутые, разветвленные и неразветвленные цепи.

Долгие годы считалось, что углерод может образовывать всего две кристаллические структуры: графит и алмаз.

Алмаз имеет пространственную структуру, в которой атомы углерода находятся в sp3-гибридном состоянии и образуют 4 прочные ковалентные связи, ориентированные относительно друг друга в пространстве.

Структура графита слоистая, каждый атом углерода в sp2-гибридном состоянии образует три прочные ковалентные связи с атомами, расположенными в одной плоскости. Поскольку связи направлены под углом 120о, то структура слоя состоит из правильных шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Атомы соседних слоев связаны относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса, поэтому связи между слоями менее прочные, и слои легко разделить.

В дальнейшем стало известно, что углерод существует во множестве аллотропных модификаций с различными физическими свойствами:

Алмаз

Графит

Карбин

Графен

Лонсдейлит

Фуллерены

Фуллерит

Наноалмаз

Углеродные нанотрубки

Церафит

Кроме этих кристаллических форм углерод может существовать и в аморфном виде:

Древесный уголь

Активированный уголь

Антрацит

Кокс

Сажа

А так же могут образоваться кластерные формы:

Астрален

Диуглерод.

1. Графен

Графен представляет собой однослойную двумерную углеродную структуру, состоящую из правильных шестиугольников со стороной 0,142 нм и атомами углерода в вершинах. Эта структура является составляющей кристаллического графита, в котором такие графеновые слои располагаются на расстоянии 3,4 нм друг от друга.

Каждый атом углерода в графене окружен тремя ближайшими соседями и обладает четырьмя валентными электронами, три из которых образуют sp2-гибридизованные орбитали, расположенные в одной плоскости под углами 120о и формирующие ковалентные связи с соседними атомами. Четвертый электрон, представленный ориентированной перпендикулярно этой плоскости негибридизованной pz-орбиталью, отвечает за низкоэнергетические электронные свойства графена.

Довольно большое расстояние и слабые связи между слоями давно наталкивали ученых на мысль, что одиночный слой графита может быть отделен. Однако физики сомневались в термодинамической устойчивости двумерного кристалла. В 2004 году ученые Новоселов К.С. и Гейм А.К. получили первые образцы графена весьма остроумным способом, отделив одиночный слой графита с помощью скотча. За новаторские исследования этого двумерного материала им была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год. С тех пор интерес к графену только увеличивается. Благодаря его особым физико-химическим свойствам, возможно его широкое применение в качестве основы для новых наноматериалов.

2. Структурные особенности графена

Итак, графен - это плоская однослойная структура, которая является основой как трехмерного графита, так и двумерных фуллеренов и нанотрубок.

Графен оказался устойчив при комнатной температуре. Находясь на ровной подложке, он механически стабилен. Теоретически можно представить бесконечные листы графена правильной структуры. Но реальные образцы графена не бывают без структурных дефектов, которые тщательно изучаются, потому что сильно влияют на свойства.

Например, возможен разный вид границы образца. Для характеристики структуры границы графена часто используется понятие угол хиральности, который определяется как угол ориентации границы графена относительно линии, составленной шестиугольниками, стоящими на вершинах и граничащими друг с другом. Если угол хиральности равен 0о, то структура границы зигзагообразная (б). Если угол хиральности равен 30о, то структура границы кресельная (а). Также возможны промежуточные структуры с углами хиральности от 0 до 30о.

Структура границы графена определяет анизотропию его транспортных характеристик, за счет различия в значениях постоянной решетки в различных направлениях.

. Структурные дефекты графена

В зависимости от метода синтеза, температуры и других условий, поверхность графена содержит структурные дефекты, которые нарушают его свойства. Существуют два наиболее существенных дефекта: вакансионный и Стоуна-Уэльса.

Вакансионный дефект означает отсутствие некоторых атомов углерода в правильной гексагональной структуре листа.

Дефектом Стоуна-Уэльса называется замена некоторых шестиугольников на пяти и семиугольники.

Кроме этих изменений в стуктуре, возможно присоединение атома, радикала или функциональной группы к поверхности графена, например, гидроксогруппы или атома водорода. Присоединение атома водорода приводит к образованию гидрогенизированной разновидности графена - графана. Присоединение водорода к графену приводит к деформации первоначально плоского моноатомного графитового слоя, поскольку гибридизация всех атомов углерода в новой решетке изменяется с плоской sp2 на тетраэдрическую sp3. В результате данной модификации структуры из проводника графена получается диэлектрик графан.

Главным моментом в этом открытии ученые считают тот факт, что оно показало, что с использованием не слишком сложных химических реакций графен можно модифицировать, а значит - создавать на его основе новые производные материалы с новыми полезными свойствами. Ведь любые изменения в структуре приводят к изменению расстояний между атомами в гексагональной ячейке графена, а значит, к видоизменению его плоской структуры и свойств.

. Свойства графена

На сегодняшний день графен - самый тонкий материал, известный человечеству, толщиной всего в один атом углерода.

Малый размер атома углерода и высокая прочность химических связей между атомами углерода придает графену целый ряд очень важных уникальных свойств:

• высочайшая подвижность носителей заряда

• высокая тепло и электропроводность

• исключительная прочность и упругость

• непроницаемость

• почти полная прозрачность.

Носители заряда в графене практически не имеют массы и движутся с огромной скоростью (почти со скоростью света), объясняя его уникальные свойства.

Электроны взаимодействуют друг с другом и ведут себя как в сверхпроводниках или магнитах. Как у металлов, у графена есть зона электропроводности, в которой перемещаются электроны, но в отличие от полупроводников, у графена нет запрещенной энергетической зоны, поэтому поток носителей не прекращается.

Из-за этого пока нельзя использовать графен для изготовления полупроводникового транзистора, т.к. его можно будет включить, но нельзя выключить. Формируя графеновые наноленты путем подбора ориентации и ширины графена или используя определенные полевые структуры, запрещенная зона может быть открыта. Добавляя к графену донора или акцептора электронов, можно изменять его проводимость, превращая в аналог электронного или дырочного проводника.

Свободно «подвешенный» лист графена обладает аномально высокой теплопроводностью, она почти в 2,5 раза превосходит теплопроводность алмаза. Теплопроводность листа графена, лежащего на подложке, почти на порядок ниже. При соединении нескольких слоев графена теплопроводность падает.

Кроме того, в зависимости от приложенного внешнего напряжения, возможно изменение оптических свойств графена: он может быть либо прозрачным, либо не прозрачным.

. Получение графена

Высокий интерес к применению графена заставляет исследователей искать новые методы его получения. Изготовление графена микромеханическим методом оказалось довольно трудоемким, поэтому большую популярность в последнее время приобретает альтернативный способ получения графена - эпитаксиальное выращивание, при котором слои графена образуются на поверхности кристалла SiC, нагреваемого до высокой температуры в вакууме.

Также рассматриваются способы жидкофазного разделения слоев графита с помощью поверхостно-активных веществ (ПАВ), сильных газообразных окислителей типа кислорода и галогенов, расщепление графита ультразвуком.

. Применение графена

Потенциальные области применения графена включают

замену углеродных волокон в композитных материалах, с целью создания более легковесных самолетов и спутников;

замена кремния в транзисторах;

внедрение в пластмассу, с целью придания ей электропроводности;

датчики на основе графена могут обнаруживать опасные молекулы;

использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности;

оптоэлектроника;

более крепкий, прочный и легкий пластик;

герметичные пластиковые контейнеры, которые позволят неделями хранить в нем еду, и она будет оставаться свежей;

прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;

более крепкие ветряные двигатели;

более устойчивые к механическому воздействию медицинские имплантаты;

лучшее спортивное снаряжение;

суперконденсаторы;

высокомощные высокочастотные электронные устройства;

искуственные мембраны для разделения двух жидкостей в резервуаре;

улучшение тачскринов, жидкокристаллических дисплеев.

Исследователи из Австралии создали бумагу из множества слоёв графена. Она показала удивительные механические свойства, сохраняя хорошую гибкость и высокую упругость. Специалисты из технологического университета Сиднея использовали комбинацию химической и тепловой обработки, чтобы аккуратно отделить от графита одноатомные слои, очистить их и выложить как бутерброд в идеально выровненную структуру из гексагональных решёток атомов углерода - графеновую бумагу. Ее плотность - в пять-шесть раз ниже, чем у стали, а твердость и прочность в несколько раз выше.

Эксперименты показали, что графен может резко снизить коэффициент трения и износ металлических деталей без использования масел, загрязняющих окружающую среду. Покрытие из графена безвредно, защищает металл от коррозии и самоориентируется в начале движения детали, обеспечивая минимальное трение. Более того, утилизация и повторное использование графена не требует сложных технологий - достаточно ополоснуть деталь растворителем и извлечь графен.

Графен предоставляет неограниченные возможности практически во всех областях индустрии и производства. Со временем, он вероятно станет для нас обычным материалом, подобно пластику в наши дни.

7. Фуллерены

Фуллерены - полициклические полые структуры сферической формы, состоящие из атомов углерода, связанных в шести- и пятичленные циклы. Это новая модификация углерода, для которой, в отличие от других известных модификаций (алмаза, графита, карбина, графена), характерна не полимерная, а молекулярная структура.

Свое название эти вещества получили по имени американского инженера и архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные сооружения, состоящие из шести- и пятиугольников.

Первоначально возможность существования структуры, состоящей из 60 углеродных атомов (C60-фуллерена), была обоснована теоретически (Д.А. Бочвар, Е.Н. Гальперин, СССР, 1978 г.). В 1980-х гг. астрофизическими исследованиями установлено присутствие чисто углеродных молекул различного размера на некоторых звездах ("красных гигантах"). Впервые фуллерены C60 и C70 были синтезированы в 1985 г. Х. Крото и Р. Смолли из графита под действием лазера (Нобелевская премия по химии, 1996 г). Получить C60-фуллерен в количествах, достаточных для исследований, удалось в 1990 г Д. Хаффману и В. Кретчмеру, которые провели испарение графита с помощью электрической дуги в атмосфере гелия.

В 1992 г. были обнаружены природные фуллерены в углеродном минерале - шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) и других докембрийских породах. Здесь вблизи Онежского озера залегают уникальные минеральные породы, именуемые шунгитами, возраст которых составляет около двух миллиардов лет. Шунгиты содержат до 90% чистого углерода, в том числе примерно одну сотую долю процента в виде фуллерена. Возможно, происхождение этого минерала как раз и объясняется падением большого углеродного метеорита.

Здесь с незапамятных времен существует целебный источник, вблизи которого Петр I построил первый в России курорт «Марциальные воды». Сотни лет люди пользовались чудесным родником, протекавшим сквозь шунгитовые породы, для избавления от своих болезней, не зная причину его лечебных свойств. Однако его воду нельзя разлить в бутылки и использовать по мере надобности - уже через несколько часов она теряет свою целебность. Возможно, что недолговечность целебных свойств марциальных вод и объясняется тем, что проходя через шунгитовые породы, которые содержат фуллерены и фуллереноподобные образования, вода не растворяет их, а лишь на некоторое время «насыщается» их структурой. При этом образуются гидратированные молекулы фуллеренов, которые легко теряют водную оболочку. Украинские ученые изучают антиоксидантные свойства водных растворов фуллеренов, которые могут нейтрализовать вредное воздействие свободных радикалов на организм человека, и, значит, помогают омолаживать организм.

. Строение фуллеренов

Молекулы фуллеренов могут содержать от 20 до 540 углеродных атомов, расположенных на сферической поверхности.

Наиболее устойчивое и лучше изученное из этих соединений - C60-фуллерен (60 атомов углерода) состоит из 20 шестичленных и 12 пятичленных циклов. Фуллерены с n< 60 оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С20. Все атомы углерода в молекуле C60-фуллерена находятся в sp2-гибридном состоянии и связаны с тремя другими атомами углерода. Негибридизованные p-орбитали углеродных атомов располагаются перпендикулярно сферической поверхности, образуя π-электронное облако снаружи и внутри сферы.

Углеродный скелет молекулы C60-фуллерена представляет собой усечённый икосаэдр.

Углеродные шестичленные циклы внешне напоминают бензол. Однако сходство оказалось чисто внешним. На это указывают результаты рентгеноструктурного анализа. В каждом шестиугольном цикле имеются три фиксированные кратные связи (длина 0,138 нм ) и три простые связи (длина 0,143нм ). В бензольном кольце длина всех связей одинакова и имеет промежуточное значение 0,140 нм. Кратные связи располагаются на линии соприкосновения двух шестиугольников, простые - пяти- и шестиугольника. Все вершины каркаса и, стало быть, атомы углерода эквивалентны, поскольку каждая вершина находится в точке, где сходятся один пяти- и два шестиугольника. Диаметр молекулы фуллерена C60 примерно 1 нм.

. Свойства фуллеренов

Фуллерен С60 - это очень устойчивое соединение, т.к. все электроны в нем задействованы в образовании углерод-углеродных связей. В кристаллическом виде он не реагирует с кислородом воздуха, устойчив к действию кислот и щелочей, не плавится до температуры 360 °С. Фуллерен хорошо растворяется в органических растворителях.

Фуллерен не вступает в реакции, характерные для ароматических соединений, его химия совсем иная. Прежде всего, невозможны реакции замещения, т. к. у атомов углерода нет никаких боковых заместителей. Обилие изолированных кратных связей позволяет считать фуллерен полиолефиновой системой. Для него наиболее типично присоединение по кратной связи. Известны продукты присоединения к фуллеренам атомов водорода и галогенов, органических радикалов, происходит также присоединение циклов, получены фуллерен-содержащие полимерные материалы и многосферные соединения фуллеренов. В случае C60, например, можно присоединить до 48 заместителей без разрушения углеродного каркаса (например, получить C60F48).

Кроме реакций присоединения возможно внедрение атомов и малых кластеров внутрь углеродного каркаса, которое приводит к образованию эндоэдральных соединений, например, металлофуллеренов.

Соединения фуллеренов со щелочными металлами являются сверхпроводниками, в то время как чистый фуллерен - изолятор, а легированные фуллерены - ферромагнетиками. Молекулы некоторых фуллеренов способны кристаллизовываться с образованием кубической кристаллической решетки - фуллерит.

10. Получение фуллеренов

Лазерные испарения графита в потоке гелия

Термическое испарение графита

Дуговой контактный разряд. путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. Этот метод Кретчмера и Хаффмана долгое время оставался наиболее распространенным, хотя его производительность невелика, но зато он позволяет получить чистые фуллерены.

Сжигание и пиролиз углеродсодержащих соединений. Этот метод разработан фирмой Mitsubishi, но получаемые фуллерены содержат кислород.

Ученые продолжают искать новые способы получения и синтеза фуллерена, но все они дают небольшой выход продукта и весьма дорогостоящи.

. Применение фуллеренов

Фуллерены имеют многие перспективные области применения. Сдерживающим фактором является их стоимость их получения.

Фуллерены являются уникальным функциональным материалом электроники и оптики, энергетики, биохимии и молекулярной медицины. Особенно выражены преимущества фуллерена в следующих практических приложениях:

) модифицирование фуллеренами стали приводит к значительному повышению ее прочности, износо- и термостойкости;

) добавка фуллеренов в чугун придает ему пластичность;

) в керамических изделиях введение фуллеренов снижает коэффициент трения;

) использование фуллеренов в полимерных композитах, способно увеличить его прочностные характеристики, термоустойчивость и радиационную стойкость, значительно уменьшить коэффициент трения;

) микродобавка фуллеренововой сажи в бетонные смеси и пломбирующие составы повышает марку материала;

) фуллерены в качестве основы для производства аккумуляторных батарей (принцип действия основан на реакции присоединения водорода) обладают способностью запасать примерно в пять раз большее количество водорода, характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с аккумуляторами на основе лития;

) фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники (традиционные приложения в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т.п.) - преимуществом по сравнению с традиционным кремнием в фотоэлементах является малое время фотоотклика;

) преимущества использования фуллеренов в качестве катализаторов лежат в их способности принимать и передавать атомы водорода; они также высокоэффективны в ускорении реакции преобразования метана в высшие углеводороды и способны замедлять реакции коксования;

) фуллерены являются мощными антиоксидантами, быстро вступающими в реакцию со свободными радикалами, которые часто являются причиной повреждения и смерти клеток.

12. Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки - полые цилиндрические структуры, образованные сворачиванием графена в цилиндр с соединением его сторон без шва.

Считается, что первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, которые образовывались в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру. История открытия и изучения нанотрубок тесно связана с открытием и изучением фуллеренов.

. Структура нанотрубок

Углеродные нанотрубки классифицируют по количеству слоев: однослойные и многослойные.

Однослойные трубки - простейший вид нанотрубок. Диаметр однослойных нанотрубок, по экспериментальным данным, варьируется от ~ 0,7 нм до ~ 3-4 нм. Длина однослойной нанотрубки может достигать 4 см.

Сворачивание графена в цилиндр без шва возможно только конечным числом способов, отличающихся направлением двумерного вектора, который соединяет две эквивалентные точки на графене, совпадающие при его сворачивании в цилиндр. Этот вектор называется вектором хиральности однослойной углеродной нанотрубки. Таким образом, однослойные углеродные нанотрубки различаются диаметром и хиральностью.

Существуют три формы нанотрубок: ахиральные типа «кресла» (две стороны каждого шестиугольника ориентированы перпендикулярно оси нанаотрубки), ахиральные типа «зигзаг» (две стороны каждого шестиугольника ориентированы параллельно оси нанотрубки) и хиральные или спиралевидные (каждая сторона шестиугольника расположена к оси нанотрубки под углом, отличным от 0 и 90º).

Однослойные нанотрубки обычно заканчиваются полусферической головкой, которая наряду с шестиугольниками включает в себя правильные пятиугольники и напоминают половину молекулы фуллерена.

Многослойные нанотрубки состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.

Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных круглых или шестигранных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая "матрешка"). В другом случае, один "лист" графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель "свиток").

. Свойства нанотрубок

Электрические свойства однослойных нанотрубок зависят от хиральности. В зависимости от хиральности одностенная нанотрубка может вести себя как полуметалл, не имеющий запрещенной зоны либо как полупроводник, имеющий запрещенную зону.

Механические свойства: нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются.

Важное свойство нанотрубок - выраженная зависимость их проводимости от магнитного поля.

Однослойные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы, другие жидкости, а также газообразные вещества, например, молекулярный водород.

. Получение нанотрубок

Термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда

Термическое распыление графита в присутствии катализатора

Лазерное распыление графита

Электролитический синтез

Каталитический крекинг ацетилена

. Применение нанотрубок

Капиллярные свойства нанотрубок позволят использовать их в качестве проводящих нитей или хранилища заполняющего ее материала, например, водорода или даже радиоактивных отходов,

Высокая удельная поверхность материала, изготовленного из нанотрубок, открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах, аппаратах химической технологии,

Возможность присоединения к поверхности нанотрубок каких-либо радикалов, которые могут служить каталитическими центрами или зародышами для разнообразных химических реакций,

Высокая механическая прочность нанотрубок в сочетании с электропроводностью опзволит применять их в качестве зондов в сканирующих микроскопах, что во много раз повысит разрешающую способность,

Малые размеры, электропроводность, стабильность и механическая прочность позволяют рассматривать нанотрубки в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Ученым из лаборатории IBM удалось, на основе нанотрубок, создать микросхему, которая в 500 раз меньше аналогичной кремниевой. Исследования ведущих специалистов в данной области показывают, что потенциал кремния, как основы интегральных схем будет исчерпан в течение ближайших 10-20 лет. Материалы из нанотрубок способны обеспечить новому поколению компьютеров практически неограниченные память и быстродействие.

В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются спортивные товары (углеродные нанотрубки входят в состав композитов, из которых они изготавливаются), электроника и автомобилестроение (здесь нанотрубки используются для придания полимерам антистатических и проводящих свойств).

Однако есть и проблемы применения углеродных нанотрубок. Недавние исследования подтвердили опасность нанотрубок для человеческих клеток, что ставит под вопрос их использование в медицине. Впервые ученым из Кембриджского университета удалось наблюдать проникновение и перемещение нанотрубок внутри человеческих клеток и определить, может ли воздействие наноматериалов вызвать смерть клетки.

Кроме того, некоторые эксперты считают, что исследователи недооценивают риски, связанные с массовым производством углеродных нанотрубок. Согласно недавнему выступлению ученых из Массачусетского Технологического Института (MIT) на заседании Американского Химического Общества, (American Chemical Society), интенсивное производство этих материалов может серьезно повлиять на мировую экологию, т.к. их производство сопряжено с побочным образованием большого количества разнообразных ароматических соединений, являющихся сильнейшими канцерогенами.

Заключение

Понятия «нанотехнологии», «нанообъекты», «наночастицы» совсем недавно появились в науке, в конце прошлого века. До этого времени приставка «нано» обозначала масштаб. Но теперь с помощью этой приставки обозначают новую эру в развитии технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, - эру нанотехнологий. Создание электронного микроскопа в 1931 году, а затем сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году сделало реальностью не только наблюдение атомов, но и манипулирование ими. В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Он сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил ее в серии работ 1981-1986 гг., ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для изменения свойств твердых тел.

С началом нового века развитие нанотехнологий стало определяющей задачей научных исследований в мире. В определениях нанонауки и нанотехнологий наиболее существенным является указание на то, что «настоящее нано» начинается с момента появления новых свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам и отличающихся от свойств объемных материалов. То есть существеннейшим и важнейшим качеством наночастиц, основным отличием их от микро- и макрочастиц является появление у них принципиально новых свойств, не проявляющихся при других размерах. Открытие наноструктур углерода явилось очень важной вехой в развитии концепции наночастиц.

Углерод - всего лишь одиннадцатый по распространенности в природе элемент, однако благодаря уникальной способности его атомов соединяться друг с другом и образовывать длинные молекулы, включающие в качестве заместителей и другие элементы, возникло громадное множество органических соединений, да и сама Жизнь. Но, даже соединяясь только сам с собой, углерод способен порождать большой набор различных структур с весьма разнообразными свойствами - так называемых аллотропных модификаций. Алмаз, например, является эталоном прозрачности и твердости, диэлектриком и теплоизолятором. Однако графит - идеальный «поглотитель» света, сверхмягкий материал, один из лучших проводников тепла и электричества. графен фуллерен углеродный нанотрубка

Но всё это на макроуровне. А переход на наноуровень открывает новые уникальные свойства углерода. Сродство атомов углерода друг к другу настолько велико, что они могут без участия других элементов образовывать целый набор наноструктур, отличающихся друг от друга, в том числе и размерностью. В их число входят фуллерены, графен, нанотрубки. Наноструктуры углерода можно назвать «истинными» наночастицами, так как в них все составляющие их атомы лежат на поверхности.

Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого, уровню существования самовоспроизводящихся структур, а наночастицы, представляющие собой супрамолекулярные структуры, стабилизированные силами межмолекулярного взаимодействия, представляют собой переходную форму от отдельных молекул к сложным функциональным системам. Мир наноразмеров расположен между атомно-молекулярным миром и миром Живого, состоящего из тех же атомов и молекул, но организованных в сложные самовоспроизводящиеся структуры, а переход из одного мира в другой определяется не только (и не столько) размерами структур, сколько их сложностью.

Нанотехнология, в сущности, является «наукой конструирования», что делает ее мощным инструментом преобразования всех сторон общественной жизни. Она дает возможность создавать вещества на атомном и молекулярном уровне, а также дешево и быстро изготовлять предметы и товары «по заказу». Еще важнее и интереснее то, что, используя природные законы и процессы, мы получаем возможность конструировать и создавать вещества, которые никогда раньше не существовали в природе.

Развитие нанотехнологии ставит перед обществом две важнейшие проблемы: 1) насколько быстро люди смогут адаптироваться к достижениям новой науки; 2) насколько мудрыми они окажутся в использовании этих достижений. Эти факторы определят в будущем конкурентоспособность отдельных людей, организаций и даже целых государств. Умение использовать достижения новой науки и развивать ее станет стратегическим преимуществом. Те общества, которые сумеют лучше организовать социальные системы, связанные с нанотехнологиями (обучение, исследование, развитие), добьются успеха и процветания в третьем тысячелетии. Нанотехнология будет влиять на общественную жизнь в 21 в. точно также, как теперь на нее влияют цифровые технологии.

Литература

Самсонов, Г.В. Силициды и их использование в технике / Г.В. Самсонов. - Киев, АН УССР, 1959.- 204 с.

Воронков, М.Г. Удивительные элементы жизни / М.Г. Воронков, И.Г. Кузнецов - Иркутск, 1983.- 107 с.

Воронков, М.Г. Биохимия, фармакология и токсикология соединений / М.Г. Воронков, Г.И. Зелчан, Э.Я. Лукевиц. - Рига: Зинатне, 2008. - 588 с.

Аллер, Л.Х. Распространенность химических элементов / Л.Х. Аллер. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 357 с.