Фуллерены

Углерод в природе может находиться в 4-х формах:

1. Алмаз, т.е. кристаллическая решетка, в которой каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Из – за этой структуры алмаз является самым твердым материалом на Земле.

2. Графит, атомы углерода в котором образуют шестиугольные кольца, образующие сетчатую слоистую структуру, позволяющую легко расслаиваться материалу.

3. Карбины.

4. Фуллерены, как особая форма углерода.

В 1996 году американским ученым была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие (1984 г) наночастицы - фуллерена. Это полая сферическая частица, внешне похожая на оболочку футбольного мяча, состоящего из 20 шестиугольных ячеек и 12 пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти. Для его обозначения используется символ С60.

Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками. Образуется структура структура (усеченный икосаэдр). Длина связи атомов углерода в пятиугольнике 0,143 нм, а в шестиугольнике – 0,139 нм.

Благодаря своему сетчато - шарообразному состоянию фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они «катаются» словно шарики размером всего с молекулу между трущимися поверхностями. Комбинированием внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы можно создавать самые фантастические материалы будущего.

Фуллерены могут использоваться в медицине, электронике, оптике и др. отраслях. Например, американские ученые разработали технологию нанесения на любую поверхность тончайшие элементов солнечных батарей, содержащие фуллерены. Хотя к.п.д. у них пока в четыре раза ниже, чем у традиционных солнечных батарей, но они значительно проще и дешевле в изготовлении и есть возможность выпускать солнечные батареи даже рулонами.

Пока фуллерены очень дороги, так стоимость фуллерена самого высокого качества составляет около 900 долларов США за грамм, а более низкого качества – около 40.

Термин «фуллерен» дан в честь знаменитого архитектора Фуллера, который еще до открытия фуллеренов в своих конструкциях использовал аналогичные фуллеренам связи из стальных стержней.

Нанотрубки

Углеродные нанотрубки были изобретены в Японии в 1991 году. Прочность их на разрыв почти на два порядка превосходит прочность стали. Углеродные нанотрубки можно рассматривать как модифицированный вид графита.

Закрытая нанотрубка представляет собой полый объект в виде вытянутого в трубу тора, боковая поверхность которого сложена из шестиугольников, а торцы представлены половинками фуллоренов. В настоящее время есть технология, позволяющая открывать концы нанотрубок и превращать их в микрокапиляры.

С помощью нанотехнологии перспективно получение новых материалов на основе углеродных нанотрубок. Углерод может образовывать молекулы материалов не только традиционно с водородом и кислородом, но и гигантские, чисто углеродные атомные соединения (молекулы). Размеры трубок могут быть: длина сотни микрон при диаметре нескольких десятков нанометров, т.е. длина превышает диаметр в миллионы раз. Из этих трубок можно получить материал прочнее стали. Из него можно изготовлять более легкие и прочные чем келавровые бронежилеты, элементы самолетов и космических кораблей.

Нанотрубки можно использовать для приготовления модифицированного бетона. Но так как они очень дороги, то некоторое увеличение прочности бетона становится не эффективным.