23)Углеродные наноструктуры. Аллотропия. Алмаз, графит, карбин и фуллерен, свойства и области применения.

Способность атомов одного химического элемента соединяться друг с другом различными способами, образуя различные пространственные конфигурации, называется аллотропией.

У алмаза все четыре валентных электрона атомов углерода образуют высокопрочные ковалентные связи С–С. Их трудно разорвать. Поэтому у него отсутствуют электроны проводимости, и он относится к диэлектрикам. По этой же причине алмаз обладает исключительной твердостью и высокой температурой плавления (3550^оC).

Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит – мягкое черное вещество из легко слоящихся плоскостей, называемых графеновыми. В пределах графеновой плоскости атомы углерода соединены сильными ковалентными связями. Эти связи образуют двухмерную гексагональную решетку, в основе которой лежит правильный шестиугольник. Однако, в отличие от алмаза, в образовании связей участвуют только 3 электрона. Четвертые электроны атомов свободны. Это обусловливает хорошую электропроводность графеновых плоскостей (электрическое сопротивление – 0,0014 Ом*см). Между графеновыми плоскостями существует слабое притяжение, которое обусловлено силами Ван-дер-Ваальса. Природа этих сил объясняется взаимодействием электронной оболочки атома с положительно заряженным ядром соседнего атома, кулоновское поле которого экранировано собственными электронами. Слабое взаимодействие между плоскостями приводит к тому, что они легко скользят относительно друг друга и могут отслаиваться от графита. Графен - двухмерная плоская молекула углерода толщиной в один атом. Свойства графена оказались совершенно удивительными. Эффективная масса электронов графена стремится к нулю, поэтому эти электроны обладают большой подвижностью. Их подвижность в сотни раз превосходит подвижность электронов и дырок в кристаллическом кремнии, который является самым распространенным материалом современной микроэлектроники. Графен позволяет создавать транзисторы и другие полупроводниковые приборы очень малых габаритов (порядка нескольких нанометров). Уменьшение размеров транзистора приводит к изменению его свойств. С уменьшением размеров происходит переход в наномир, где усиливается роль квантовых эффектов. Электроны перемещаются по каналу как волны де Бройля, а это уменьшает количество столкновений (актов рассеяния) и, соответственно, повышает эффективность транзистора, так как уменьшаются потери энергии, неизбежные при рассеянии электронов. Третьей аллотропической формой углерода является карбин, открытый в 60-х годах ХХ века. Карбин представляет линейную структуру, в которой атомы углерода соединены двойными связями (=С=С=) либо чередующимися одинарными и тройными связями. Таким образом, структура карбина одномерная. Эти нити могут формировать углеродные волокна, обладающие большой прочностью и проводящими свойствами. Карбиновые нити могут замыкаться в кольца. Фуллерен представлял собой новую аллотропическую форму углерода. В фуллерене каждый атом углерода соединён тремя прочными химическими связями с другими атомами. Это имеет место и на графеновой плоскости. Однако, в отличие от графена, фуллерен образует выпуклую, замкнутую поверхность, состоящую из правильных шести и пятиугольников. По виду он напоминает футбольный мяч. Фуллерен назван в честь архитектора Б. Фуллерена, который создавал подобные купола у строящихся помещений. Формы фуллеренов могут быть достаточно разнообразными. В то же время квантовохимические расчеты показывают, что их построение подчиняется определенным правилам. Стабильные кластеры углерода имеют вид полиэдров, в которых каждый атом углерода имеет координационное число 3. Более стабильны карбополиэдры, содержащие только пяти- и шестичленные циклы. Наиболее исследованной является молекула фуллерена, которая состоит из 60 атомов и обозначается С60. Структура С60 содержит 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, причем каждый шестиугольник граничит с 3 пятиугольниками и 3 шестиугольниками, пятиугольники граничат только с шестиугольниками. Такая структура обеспечивает молекуле C60 необычайную устойчивость. Наличие пятиугольников при построении замкнутых объемных геометрических фигур обязательно, именно они обеспечивают искривление графитовых слоев. Длины C–C связей различаются в зависимости от того, на какой границе они находятся: длина C–C связи на границе шестиугольник-шестиугольник равна 0,139 нм, а длина С–С связи на границе шестиугольник-пятиугольник 0,144 нм. Уже упоминалось, что в образовании структуры фуллерена принимает участие 3 электрона. Четвертый электрон находится на свободной химической связи. Поэтому данные молекулы обладают важными химическими свойствами. Они могут образовывать полимерные структуры, а также присоединять водород (гидрированные фуллерены), фтор (фторированные фуллерены) и другие атомы. Одним из явлений, наблюдаемых в твердых материалах на основе фуллеренов, является сверхпроводимость, причем критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние достаточно высока. Твердые фуллериты представляют собой полупроводники. Они являются одними из лучших фотопроводящих органических материалов. Из них можно изготавливать оптические преобразователи, удваивающие и утраивающие частоту падающего света.