Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362
.pdf
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена
Связь, которая удерживает два атома вместе, называется химиче ской связью. Молекула — это комбинация двух или более атомов, связанных химической связью. Ковалентной называется химиче ская связь, при которой электроны размазаны в пространстве так,
что используются всеми атомами молекулы в равной мере (в отличие от ионной связи, при которой электроны используются атомами не равномерно).
Молекула — это простейшая структурная единица элемента или вещества, которая состоит из атомов, связанных химическими связями.
Одно из хорошо известных нам веществ состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Как называется вещество? Пра вильно, вода. Составные части молекулы воды удерживаются вме
сте с помощью ковалентных связей. Символьная запись комбинации
атомов в молекуле вещества называется его химической формулой. Формула воды имеет вид H2O, где H2 обозначает два (нижний ин
декс) атома водорода, а O — один атом кислорода. Отсутствие ниж
него индекса означает наличие лишь одного атома.
Все молекулы одного вещества одинаковы. Они настолько малы, что даже крупинка вещества содержит огромное количество молекул. Например, в капле воды диаметром около 5 мм содер
жится 2 × 1021 молекул, то есть около 2000 миллиардов молекул.
Если сложить такое же число страниц, стопка протянется от Земли до Солнца (150 млн км) около 600 тыс. раз! Если бы можно было выложить все молекулы (диаметр около 0,3 нм) капли воды в одну линию, то ее длина равнялась бы двум расстояниям от Земли до Солнца!
Указание количества атомов в виде нижних индексов в хими
ческой формуле имеет большое значение для определения разных веществ. Ниже приводится несколько примеров простых химических
формул.
хлорид натрия (поваренная соль) NaCl — 1 атом натрия
и 1 атом хлора;
перекись водорода H2O2 — 2 атома водорода и 2 атома кисло рода;
этанол C2H6O — 2 атома углерода, 6 атомов водорода и 1 атом кислорода.
Вещество на Земле может существовать в твердой, жидкой или |
|
газообразной форме. Атомы веществ на наноуровне могут образо |
23 |
ЧАСТЬ I Открытие
вывать огромное, почти бесконечное, количество комбинаций. Од нако ученые обнаружили сравнительно небольшое число элементов
и веществ. Причем некоторые внешне разные вещества часто имеют одинаковую химическую формулу. Чтобы отличать формы разных
веществ, ученые используют структурные формулы.
ХИМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ФОРМУЛЫ
Химическая формула вещества указывает, сколько атомов раз ных элементов содержится в каждой молекуле данного вещества. Попробуем сравнить молекулу с автомобилем. Пусть короткий и вы
сокий джип имеет столько же двигателей и колес (то есть аналогов
атомов), сколько и длинный и приземистый лимузин. Однако их расположение оказывает существенное влияние на ходовые качества и предназначение обоих типов автомобилей.
Все молекулы вещества имеют одинаковое количество атомов
одного элемента, которые соединены химическими связями, возни
кающими в результате взаимодействия электронов и атомного ядра. По простой химической формуле сульфата меди (медный купо рос), CuSO4, можно сказать, что в этом веществе содержится 1 атом
меди (Cu), 1 атом серы (S) и 4 атома кислорода (O). В таблице 1.2
приведен перечень некоторых распространенных химических ве ществ вместе с их химическими формулами.
|
Таблица 1.2. Химические формулы веществ |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вещество |
Формула |
|
|
|
|
|
|
Карбонат аммония |
(NH4)2CO3 |
|
|
Нитрат аммония (аммиачная селитра) |
NH4NO3 |
|
|
Бензол |
C6H6 |
|
|
Гидроксид кальция (гашеная известь) |
Ca(OH)2 |
|
|
Тетрафторид углерода |
CF4 |
|
|
Алдехит коричный |
C9H8O |
|
|
Нитрат меди |
Cu(NO3)2 |
|
|
ДДТ (дихлордифенилтрихлорметилметан) |
C14H9Cl5 |
|
|
Оксид фосфора (III) (фосфористый ангидрид) |
P2O3 |
|
|
Фтористый метил |
CH3F |
|
|
Фруктоза |
C6H12O6 |
24 |
|
Этан |
C2H6 |
|
|
|
|
ГЛАВА 1 |
Открытие фуллерена |
|
|
|
|
Вещество |
|
Формула |
|
|
|
Оксид галлия |
|
Ga2O3 |
Дихромат лития |
|
Li2Cr2O7 |
Хлорид магния |
|
MgCl2 |
Этандиовая кислота (щавелевая кислота) |
|
H2C2O4 |
Перекись водорода |
|
H2O2 |
Нитрат калия (селитра) |
|
KNO3 |
Хлорид натрия (поваренная соль) |
|
NaCl |
|
|
|
Стеарат натрия |
|
C18H36O2Na |
Серная кислота |
|
H2SO4 |
Мочевина |
|
CO(NH2)2 |
Химическая формула вещества указывает точное количество атомов всех элементов, которые образуют молекулу вещества.
Вода имеет химическую формулу H2O, селитра (используется для приготовления фейерверков и удобрений) — KNO3, а фрукто за (сладкое вещество, которое содержится во фруктах и меде) —
C6H12O6.
Структурная формула указывает, как расположены отдельные атомы в молекуле вещества.
Структурная формула показывает положение каждого атома |
|
и каждой связи. Обычно в такой формуле атомы обозначаются сим |
|
волами элементов, а связи — черточками. Одна линия представляет |
|
два электрона, которые используются в одинарной ковалентной свя |
|
зи, а две линии — четыре электрона в двойной ковалентной связи. |
|
Вещества, которые состоят из молекул с одинаковой химической формулой, но |
|
разным расположением атомов в молекуле, называются изомерами. |
|
На рисунке 1.2 показана химическая формула C2H6O и два ее |
|
изомера с разными структурными формулами. |
|
Структурная формула указывает точное расположение атомов |
|
в молекуле. Эту формулу можно представить как план расположе |
|
ния футболистов на поле в определенных игровых позициях. В раз |
25 |
ЧАСТЬ I Открытие
ные моменты игры, например во время атаки, положение игроков может быть разным. Расположение и функции отдельных игроков
определяют стиль командной игры. Точно так же расположение и функции отдельных атомов определяют поведение молекулы и физи ческие характеристики вещества, например их способность вступать
в химические реакции с другими веществами. На рисунке 1.3 пока заны структурные формулы некоторых веществ.
Рис. 1.2. Структурные формулы изомеров
Рис. 1.3. Структурные формулы показывают расположение атомов в молекулах
Ученые исследуют структуру молекул, чтобы определить, как
они будут себя вести. Структура молекул также сильно влияет на свойства наночастиц.
«Внизу полным-полно места»
|
29 декабря 1959 г. профессор Ричард Фейнман (Richard Feynman), |
|
лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. «За фундаментальные |
|
работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия |
|
для физики элементарных частиц», выступил в Калифорнийском тех |
|
нологическом институте (США) на Рождественском обеде Американ |
|
ского физического общества в канун 1960 г. с лекцией под названием |
|
There’s Plenty of Room at the Bottom («Внизу полным полно места»). |
|
В ней он рассказал о новой области исследований. Фейнман предло |
|
жил идею управления отдельными атомами и создания на их основе |
26 |
новых веществ на чрезвычайно малом (субатомном) уровне. |
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена
Он поразил аудиторию простой и смелой научной идеей (для |
|
того времени и с помощью доступных тогда научных инструментов). |
|
Фейнман обратил внимание на высказывания некоторых ученых о |
|
том, что все великие открытия уже сделаны, и заниматься наукой |
|
уже неинтересно. Физик считал иначе и предложил свои аргументы. |
|
Он заявил, что все содержимое Британской энциклопедии Britannica |
|
можно разместить на булавочной головке. |
|
Фейнман предложил представить каждую букву 6–7 битами ин |
|
формации, а информацию хранить не только на поверхности, но и в |
|
объеме. Если для записи каждого бита использовать 100 атомов, то |
|
всю информацию из всех книг со всего мира можно будет разместить |
|
в кубе с ребром чуть более 0,1 мм. В субатомном мире действитель |
|
но достаточно места. |
|
Физик заявил, что биологам это давно известно. Биологи уже в те |
|
чение нескольких десятилетий изучали такие объекты, как молекула де |
|
зоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Они знали, что ДНК находит |
|
ся в ядре клетки организма и содержит код структуры этого организма |
|
(будь то комар, человек или касатка). И все остальные организмы! |
|
Фейнман сообщил, что биологи уже давно ждут от физиков изо |
|
бретения нового микроскопа, способного разглядеть в 100 раз мень |
|
ший объект, чем это возможно сейчас. Как только они получат в |
|
свое распоряжение более мощные инструменты, то смогут вплотную |
|
разглядеть реакции между отдельными белками. Фейнман описал |
|
бесконечные возможности молекулярного мира, который теперь на |
|
зывают наномиром. Ученый разбудил воображение коллег, а также |
|
дал старт научной гонке в исследованиях молекулярного мира. |
|
Но поднятую Фейнманом тему нельзя назвать абсолютно новой. |
|
Еще алхимики стремились изменить химические свойства элементов. |
|
Они пытались найти рецепт волшебного «эликсира молодости» и |
|
«философский камень» для превращения свинца в золото. Фактиче |
|
ски они предпринимали попытки манипулирования не только атома |
|
ми, но и отдельными их компонентами. |
|
В 1981 г. Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Хайнрих Рорер (Heinrich |
|
Rohrer) из научно исследовательской лаборатории компании IBM в |
|
Цюрихе (Швейцария) создали сканирующий туннельный микроскоп |
|
(scanning tunneling microscope), который впервые позволил ученым |
|
увидеть отдельные атомы и манипулировать ими. Они обнаружили, |
|
что, используя электрическое поле и специальный зонд с крошечным |
|
наноразмерным кончиком, можно перемещать отдельные атомы. Вскоре |
|
после создания сканирующего туннельного микроскопа был изобретен |
27 |
ЧАСТЬ I Открытие
атомный силовой микроскоп (atomic force microscope), один из наи
более популярных инструментов эры нанотехнологий. Затем появились идеи создания новых веществ. Появление такого инструмента стало
значительным событием и было отмечено Нобелевской премией по фи зике 1986 г. «За изобретение сканирующего туннельного микроскопа».
В 1989 г. Дон Эйглер (Don Eigler) в Альмаденской научно иссле довательской лаборатории компании IBM в Сан Хосе, штат Кали форния (США), сложил слово «IBM» из 35 атомов ксенона и сфо тографировал его. На рисунке 1.4 показано, как это слово можно
сложить из отдельных атомов. Более подробно инструменты нано
технологий описываются в главе 4.
|
Рис. 1.4. Схема расположения отдельных атомов для создания слова «IBM» |
|
УДАЧА И ИНТУИЦИЯ |
|
В сентябре 1985 г. тремя химиками, Робертом Ф. Керлом, мл. |
|
(Robert F. Curl, Jr.), сэром Гарольдом У. Крото (Harold W. Kroto) |
|
и Ричардом Э. Смолли (Richard E. Smalley), была открыта новая |
|
разновидность углерода C60. Они собрались в Университете Райс для |
|
проведения совместных экспериментов, результаты которых порази |
|
ли весь мир. Ученым помогали два студента: Джэймс Хиз (James |
|
Heath), теперь профессор химии в Калифорнийском технологиче |
|
ском институте, и Шон О’Брайан (Sean O’Brien), теперь научный |
|
сотрудник компании Texas Instruments в Далласе (США). Поскольку |
|
одну Нобелевскую премию присуждают не более чем трем ученым, |
|
то Хиз и О’Брайан обрели лишь всемирную славу, а Нобелевскую |
28 |
премию 1996 г. по химии «За открытие фуллеренов» получили Керл, |
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена
Крото и Смолли. Эту премию вручили 10 декабря 1996 г. в 100 лет нюю годовщину смерти ее основателя.
Новая разновидность углерода получила название фуллерен
(fullerene). Структура фуллерена очень похожа на каркас обыкно венного футбольного мяча, сшитого из лоскутов кожи (рис. 1.5).
Фуллерен состоит из 60 атомов углерода. Его структура принци пиально отличается от структуры других разновидностей углерода: графита и алмаза. Фуллерен был назван так в честь архитектора и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера (Richard Buckminster
Fuller), который спроектировал и построил первый геодезический
купол — полую пространственную стальную сферическую конструк цию из прямых стержней.
Рис. 1.5. Фуллерен похож на обыкновенный футбольный мяч, сшитый из лоскутов кожи
Открытие фуллерена произошло в результате экспериментов |
|
Смолли и Крото с инструментом, который Смолли изобрел для изу |
|
чения молекул и кластеров атомов. Крото заинтересовала предло |
|
женная Смолли методика лазерного испарения. С ее помощью он |
|
намеревался проверить свою теорию о поведении углерода в меж |
|
звездном пространстве. Крото считал, что богатые углеродом звезды, |
|
красные гиганты, способны испускать сложные углеродные соедине |
|
ния, которые можно обнаруживать с помощью радиотелескопов. |
|
Исследователи попытались представить структуру для обна |
|
руженной ими новой разновидности углерода с помощью масс |
29 |
ЧАСТЬ I Открытие
спектрометра, который способен измерять длины волн излучения
иэнергии отдельных элементов. Однажды поздним вечером Смолли с помощью бумаги, ножниц и скотча соединил все 60 вершин и по
лучил симметричную замкнутую форму. Полученную молекулу С60 стали также называть бакиболл (buckyball). Графит, наиболее рас пространенная разновидность углерода, состоит из атомов углерода,
которые расположены в двухмерных плоскостях. А в молекуле фул лерена связанные сильными связями атомы углерода располагают ся в трехмерном пространстве и образуют замкнутый сферический каркас.
До этого момента ученые считали, что углерод существует только
в виде графита или алмаза. Они не могли поверить в существование фуллерена и посчитали открытие ошибкой. Действительно, почему никому раньше не удавалось обнаружить это новое соединение? Многие ученые стали интенсивно исследовать фуллерен, и вскоре
стало ясно, что данная молекула существует, и ее открытие имеет
огромное значение для науки. Как уже упоминалось выше, за это открытие Смолли, Керл и Крото получили Нобелевскую премию по химии 1996 г. За открытие фуллерена и пропаганду исследований на наномасштабном уровне Смолли (наряду с Фейнманом, Биннигом
иРорером) часто называют одним из отцов нанотехнологий.
|
ГРАФИТ |
|
До открытия фуллерена наиболее исследованным соединением |
|
углерода был графит. Графит состоит из плоских слоев углерода, по |
|
хожих на колоду игральных карт. Связи атомов в каждой плоскости |
|
(карте колоды) чрезвычайно прочны, но отдельные плоскости связа |
|
ны друг с другом не очень сильно и могут изгибаться и ломаться. |
|
Большинство людей пользовались простыми карандашами с мяг |
|
кими графитовыми стержнями. Такие карандаши могут писать, по |
|
тому что при трении о бумагу слои графита отслаиваются и остаются |
|
на бумаге. |
|
Отдельные атомы в одном слое графита связаны ковалентными |
|
связями. Эти связи удерживают молекулы графита вместе и способ |
|
ствуют поддержанию плоской формы слоев. В графите каждый атом |
|
углерода связан с тремя соседними атомами сильными ковалентными |
|
связями. Силы Ван дер Ваальса связывают соседние плоскости и |
|
удерживают их рядом. На рисунке 1.6 показаны основные типы рас |
|
положения атомов углерода: плоское (в угле и графите), решеточное |
30 |
(в алмазе) и сферическое (в фуллерене). |
ГЛАВА 1 Открытие фуллерена
Рис. 1.6. В угле и графите атомы углерода расположены в плоскостях, в алмазе — в объемной кристаллической решетке, а в фуллерене —
в сферическом каркасе
Графит часто используется в качестве смазки в некоторых ме |
|
ханизмах с трущимися частями: замках, вентиляторах и т. д. Силь |
|
ные связи между отдельными атомами графита объясняют высокую |
|
температуру его плавления. Графит не растворяется в воде и орга |
|
нических растворителях, но способен проводить электрический ток, |
|
поэтому не носите карандаши в карманах светлой одежды. Иначе |
|
вам придется сделать шокирующее открытие! |
|
АЛМАЗ |
|
До открытия фуллерена самым прочным соединением атомов |
|
углерода считался алмаз. Алмазы называют «лучшими друзьями |
|
девушек» и… инженеров. Благодаря сильным ковалентным связям |
|
каждого атома углерода с тремя соседними атомами они образуют |
|
прочную объемную кристаллическую решетку. Алмаз настолько про |
|
чен и тверд, что используется для резки, сверления и полировки дру |
|
гих материалов в промышленности. Действительно, алмаз — самое |
|
твердое тело, которое известно ученым. |
|
Алмаз имеет очень высокую температуру плавления (около 4000 °C), |
|
ведь для разрушения кристаллической структуры нужно разорвать все |
|
сверхсильные ковалентные связи между атомами. Алмаз, как и гра |
|
фит, не растворяется в воде и других органических растворителях. |
31 |
|
ЧАСТЬ I |
Открытие |
|
Однако алмаз не проводит электрический ток. Дело в том, что все |
|
|
электроны в нем прочно удерживаются между атомами и не могут пере |
|
|
мещаться по решетке (представьте себе плотную толпу людей во время |
|
|
многолюдного празднования встречи Нового года на центральной пло |
|
|
щади города, например в Нью Йорке, — сильно не подвигаешься). |
|
|
Люди |
издавна ценили алмазы за их необыкновенное сияние |
|
и блеск. Однако ученых они привлекали своей чрезвычайной твер |
|
|
достью и малой сжимаемостью. Алмазы прекрасно проводят тепло и |
|
|
очень слабо расширяются с увеличением температуры. Они не всту |
|
|
пают в реакцию с большинством сильных кислот или оснований. Ал |
|
|
мазы прозрачны в очень широком диапазоне: не только для видимо |
|
|
го света, но и для ультрафиолетового и инфракрасного излучения. |
|
|
ГРАФИТ, АЛМАЗ И ФУЛЛЕРЕНЫ |
|
|
Многие минералы состоят из атомов и молекул всего одного хими |
|
|
ческого элемента. Геологи различают металлические и неметалличе |
|
|
ские минералы. Около 80% химических элементов являются металла |
|
|
ми. Например, золото, серебро и медь — металлы. Углерод лежит в |
|
|
основе таких минералов, как графит, алмаз и фуллерен (неметаллы). |
|
|
Именно упорядочением атомов углерода в алмазе объясняются |
|
|
его удивительные свойства. Действительно, графит, алмаз и фулле |
|
|
рен состоят из одинаковых атомов углерода. Однако алмаз является |
|
|
самым твердым веществом, а графит — одним из самых мягких. |
|
|
Такое различие объясняется разными способами связи атомов. В ал |
|
|
мазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами, а в |
|
|
графите — только с тремя. В графите атомы углерода образуют кон |
|
|
фигурацию, как у молекулы бензола. Они располагаются в плоско |
|
|
стях, которые могут легко проскальзывать друг относительно друга. |
|
|
Фуллерен похож на алмаз и графит. Он обладает некоторыми |
|
|
характеристиками обоих этих веществ, но лишен их недостатков. |
|
|
С 1990 х гг. ведутся исследования структуры и свойств фуллеренов. |
|
|
Теперь ученым известны не только сферические фуллерены (с 60 ато |
|
|
мами), но и овальные (с 70 атомами), типа сосиски (с 80 атомами) |
|
|
и др. Каждое новое открытие давало ответы на прежние вопросы, |
|
|
порождая множество новых вопросов. Ученые определили энергию |
|
|
электронов и измерили электрические токи. Оказалось, что у раз |
|
|
ных видов фуллеренов они имеют разные значения на молекулярном |
|
|
уровне. Более того, фуллерены вели себя совершенно иначе, чем |
|
|
алмаз и графит. Для исследования фуллеренов пришлось применить |
|
32 |
более изощренные научные методы. |
|