2020-04-12
113
Лекция 4
Слайд 4.
Классификация наноматериалов: нанообъекты (наночастицы) и наноструктурированные материалы, которые состоят целиком из наночастиц или содержат их в относительно небольшом количестве. Знакомимся с отдельными нанообъектами. Наша задача познакомится с их строением, практическим использованием. Рассмотрели нанокластеры, нанокристаллы, фуллерены. Сегодня - нанотрубки, супрамолекулы или их еще называют супермолекулами.
Слайд 5.
Классификация по макроразмерности делит на нуль-мерные (нанокластеры, нанокристаллы, фуллерены), одно-, дву- и трехмерные структуры. Нанотрубка – это структура в виде полой трубы (стержня), одномерная 1D структура. У нанотрубки очень большая длина (размер длины выходит за нанодиапазон), достигает несколько микрометров и очень маленький диаметр, от 1,5 нм и больше, но менее 100 нм.
Нанотрубки различают по химической природе. Самые известные - углеродные нанотрубки, т.е. стенки нанотрубки состоят из атомов углерода.
Открыты УНТ в 1991 году японцем Сумио Иджимой, он обнаружил их на изображениях в просвечивающем электронном микроскопе, когда рассматривал осадок, полученный при распылении графита в электрической дуге. На сегодняшний день в материаловедении это одни из самых распространенных объектов, которые интенсивно исследуют при создании высокопрочных материалов, в медицине при создании лекарственных препаратов адресной доставки, в материалах для 3D печати, в электропроводящих материалах и проч.
Кроме углеродных нанотрубок известны еще нитрид-борные, это значит, что стенки трубки состоят из атомов азота и бора, нанотрубки на основе оксидов ванадия V2O5, сульфида вольфрама WS2 и др. Предполагается, что многие химические элементы, соединения способы к образованию тубулярных структур, необходимо только знать условия их образования.
Слайд 6.
На слайде представлены электронные изображения. На них видно, что это одномерные структуры, есть полый канал. Стенки многих из них по большей части многослойные, т.е. состоят из несколько слоев.
Слайд 7.
В качестве примера рассмотрим углеродные и нитридборные (представляют наибольший практический интерес для развития композиционных материалов, электроники), сравним их по свойствам.
Строение УНТ можно представить как графеновый лист, свернутый в бесшовный цилиндр.
Что такое графеновый лист? это слой графита. Графит - природный минерал, он нам знаком, грифель в карандаше. По строению графит – представляет собой слоистую структуру. Условно, схематически можно представить, что каждый слой построен из правильных шестиугольников, в узлах шестиугольника располагаются атомы углерода, они соединены С-С химическими связями.
Слайд 8. Один слой графена, свернутый в цилиндр – однослойная углеродная трубка, несколько слоев – многослойная. МУНТ еще можно представить как несколько цилиндров, вставленные один в другой. Сокращенные обозначения ОУНТ, МУНТ или тоже самое на английском.
Слайд 9. На слайде слева показано, что графеновая плоскость существует в виде лент, плоскостей, нанотрубок.
Нитридборные трубки также представляют собой свернутую плоскость из правильных шестиугольников. Только в узлах правильного шестиугольника чередуются атомы азота и бора. Нитридборные НТ многослойные.
Особенности строения плоскостей углеродных и нитридборных. Если в УНТ все связи одинаковые, неполярные, то в нитридборных связи полярные, т.к. бор и азот обладают разной электроотрицательностью, азот более электроотрицательный 3,04, бор 2,04. Поэтому связи в шестиугольнике полярные, в, отличие от углеродных, азот с избытком электронной плотности, бор - с недостатком.
Слайд 10. В таблице суммированы отличия в строении нанотрубок. Если рассмотреть по три плоскости, расположенные одна над другой, то, графеновые плоскости слабо удерживаются друг возле друга, т.к. связи неполярные. Кроме того, они неупорядоченно располагаются друг над другом, слои легко смещаются друг относительно друга. Нитридборные слои удерживаются друг относительно друга очень прочно, сместить плоскости относительно друг друга очень сложно, плоскости удерживаются за счет сил электростатического взаимодействия. Над атомом бора одной плоскости строго располагается атом азота другой плоскости. Поэтому слои в многослойных нитридборных трубках удерживаются друг возле друга очень прочно.
Слайд 11. Существование борнитридныхНТ было теоретически предсказано в 1994 году и через короткий промежуток времени трубки были получены экспериментально в США.
Слайд 12. УНТ и НБНТ отличаются друга от друга по свойствам. УНТ – изогнутые, подобны вареной спагетти, НБНТ – жесткие стержни. Но УНТ более прочные при растяжении до разрыва, чем нитридборные, отличаются по цвету, тепло- и электропроводность – специальные свойства, за счет которых можно модифицировать базовые материалы.
Применение может быть очень широким, в особенно в материаловедении, в создании новых типов материалов. Но есть недостатки: УНТ сложно равномерно распределить в полимерной матрице, обеспечить высокое взаимодействие на молекулами матрицы. Точно теми же недостатками обладают нитридборные в сплавах. Они плохо смачиваются расплавом металла, хорошие свойства материала обеспечиваются только при условии, что армирующий материал хорошо взаимодействует с матрицей.
Слайд 13. Для того, чтобы преодолеть эти недостатки применяют несколько способов. УНТ функционализируют, т.е. на поверхности нанотрубки создают полярные функциональные группы ОН, СООН, NH2 и т.д. Не ковалентная функционализация полимерами, макромолекулами по механизму обертывания, когда макромолекула обвивает нанотрубку, между УНТ и функционализирующим полимером осуществляется взаимодействие и между полимером и базовой матрицей. Обеспечиваются армирующие, специальные свойства у материала.
Нитридборные трубки для того, чтобы армировать алюминий (легкий металл, его сплавы используются в аэро-, космической отрасли) подвергают травлению плазмой или химически агрессивными средами. Наружный слой нарушает свою сплошность, туда легко затекает расплав металла, обеспечивая механическую связь с армирующими частицами.
Слад 14. Супрамолекула или супермолекула что это такое? Это ассоциат из двух и более молекул, удерживаемых друг возле друга за счет сил физического взаимодействия. Но не каждая молекула может вступить в этот ассоциат, только те которые обладают химическим и геометрическим соответствием, как говорят еще комплементарностью.
На рисунке схематически показано образование комплекса, каждый из компонентов обладают геометрическим соответствием, особой формой и размером. И содержат активные центры физического взаимодействия, удерживаются после образования комплекса. Особенность таких комплексов – они образуются самопроизвольно при создании определенных условий.
На рисунке ниже слева показан комплекс из кольцевой молекулы, она построена из циклов и стрежнеобразной молекулы. Они удерживаются друг возле друга за счет физического взаимодействия, подходят друг к другу по размерам. Комплексы гость-хозяин. Гость – маленькая молекула, хозяин – большая, содержит активные центры за счет которых удерживает молекулу гостя.
Слайд 15. Супрамолекулы являются предметом так называемой супрамолекулярной химии, ее основоположником называют Жан-Мари-Лена. Он впервые в своих работах употребил термин супрамолекула или надмолекула. В 1987 году получил Нобелевскую премию за вклад в развитие комплексов «гость-хозяин»
Чем отличается супрамолекулярная химия от традиционной? В традиционной изучаются молекулы и их превращения. Молекулы состоят из атомов, одинаковых или разных, соединены атомы за счет химических ковалентных связей, представителями являются например метан, молекула кислорода, азота, аммиака, бутана…
В супрамолекулярной химии изучаются превращения супрамолекулярных комплексов, условиях их образования, возможностями, каким образом можно ими управлять.
