21. Что такое наноалмазы? Опишите особенности их структуры, способы получения и возможности практического использования.

В 1980-е гг. в нашей стране было обнаружено, что при динамическом нагружении углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов. В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы».

Условия образования наноалмазов могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, например смесей тротила с гексогеном. Наноалмазы, получаемые методом детонации из углерода взрывчатых веществ, отличаются чрезвычайно узким распределением частиц по размерам.

Основная масса частиц имеет размер около 4 нанометров. В одной такой частице около 10 тысяч атомов углерода. Таким образом, наноалмазы являются наиболее крупными представителями наноуглерода. Напомним, что в молекулах их близких родственников, диамондоидов, количество атомов углерода не превышает нескольких десятков.

В природных средах наноалмазы, как правило, не присутствуют. Иногда их находят в метеоритах. Однако высокие температуры и давления, необходимые для образования наноалмалов, могут быть реализованы при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов (органика, торф, уголь и пр.). Так, наноалмазы были обнаружены в лесной подстилке в зоне падения Тунгусского метеорита.

В промышленности наноалмазы могут использоваться в качестве добавки, которая кардинально меняет свойства материала. Например, если добавлять наноалмазы в смазочное масло, трение исчезает, оно не фиксируется современными приборами. При этом, на тонну масла нужен всего один килограмм частиц. Если добавить исходный материал – алмазы с графитом – в резины, из которых делаются шины для больших грузовиков, то их износостойкость увеличивается (шины можно менять ни каждые 40 тыс. км, а каждые 100 тыс. км.) При этом наноалмазов при смешивании нужно мизерное количество по сравнению с объемом вещества. 

22. Что такое фуллерены? Опишите особенности их структуры, способы получения и возможности практического использования.

В 1985 г. Г.Крото и Р.Смолли изучали масс-спектры паров графита, полученных под ударом лазерного пучка, и обнаружили, что в спектрах есть два сигнала, интенсивность которых намного выше, чем всех остальных. Сигналы соответствовали массам 720 и 840, что указывало на существование крупных агрегатов из углеродных атомов – С60 и С70. Масс-спектры позволяют установить лишь молекулярную массу частицы, но была предложена структура многогранника, собранного из пяти- и шестиугольников.

Название «фуллерен» было дано в честь известного американского архитектора Бакминстера Фуллера, предложившего строить ажурные куполообразные конструкции сочетанием пяти- и шестиугольников.

Получить фуллерен в заметных количествах удалось Д.Хаффману и В.Кретчмеру, которые провели испарение графита с помощью электрической дуги в атмосфере гелия. Сажа, образующаяся в этом процессе, была проэкстрагирована бензолом. Из раствора выделили соединения, имеющие состав С60 и С70; второе соединение образуется в количествах, приблизительно в шесть раз меньших, чем первое, и потому основная масса исследований проводится с С60. Содержание фуллеренов в образующейся саже достигает 44%. Существуют схемы синтеза фуллерена способами органической химии, но они пока не реализованы.

Фуллерен отличается прежде всего тем, что это индивидуальные конечные молекулы, имеющие замкнутую форму. Фуллерен в отличие от известных ранее трех форм углерода растворим в органических растворителях (бензол, гексан, сероуглерод). Из растворов фуллерен кристаллизуется в виде мелких темно-коричневых кристаллов.

В каждом шестиугольном цикле имеются три фиксированные кратные связи и три простые связи. 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.

Еще одна необычная структурная особенность фуллерена заключается в том, что его молекула имеет внутреннюю полость, диаметр которой приблизительно 5  . Внешний диаметр самой молекулы 7,1  .  Фуллерен – исключительно устойчивое соединение. В кристаллическом виде он не реагирует с кислородом воздуха, устойчив к действию кислот и щелочей, не плавится до температуры 360 °С.

Способ введения атома металла во внутреннюю полость фуллерена практически не отличается от способа получения самого фуллерена. Графит перед испарением пропитывают солями металлов. В продуктах реакции обнаружены соединения состава С60La, С60Y, С60U.

Родственные соединения и аналоги фуллерена пока немногочисленны. Самый известный аналог – С70 – был получен практически одновременно с С60. Получение его в чистом виде связано с большими трудностями, и потому он изучен меньше. По форме он близок к эллипсоиду.

Одним из основных свойств фуллеренов является построение атомарных слоев в местах увеличенных нагрузок, таких как трения или электрохимических реакций. На основе подобных молекул появились автомобильные присадки и интеллектуальные смазки. Уникальность полученного материала заключается в том, что при обработке наиболее изнашиваемых узлов автомобиля значительно увеличивается период работы оборудования. Это происходит благодаря тому, что во время работы узлов агрегата возникают различные физические воздействия, а фуллерены стремятся сохранять первоначальные формы поверхности, тем самым защищая себя от деформации, а обработанный узел – от износа.

Фуллерены в медицине применяются и в наши дни. Наиболее часто эти компоненты используют как пищевые добавки, антиоксиданты, косметические и профилактические средства, гомеопатические препараты и прочие лекарственные препараты.

Молекулярные кристаллы фуллеренов — полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твёрдого С60небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник.