Фотоника и оптоинформатика

Гидрофобные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя. Однако их поверхность можно модифицировать ионами из раствора, при этом она приобретает положительный или отрицательный заряд.

Для предотвращения слипания поверхность коллоидных кластеров пассивируют действием поверхностно активных веществ (ПАВ).

При растворении ПАВ в воде происходит структурирование молекул воды вокруг неполярных углеводородных радикалов. При этом молекулы ПАВ начинают самопроизвольно образовывать ассоциаты, которые называются мицеллами (предложение Мак-Бэна, 1913 г.).

Таким образом, мицеллы – это объединения ПАВ, обладающих полярной гидрофильной «головой» и неполярным гидрофобным углеводородным «хвостом». Если такое вещество растворить в любой жидкой среде, молекулы ПАВ будет заполнять ее поверхность до тех пор, пока их концентрация не достигнет некоторого предельного значения, называемого критической концентрацией мицеллообразования. При этом молекулы ПАВ будут обращаться к жидкой фазе тем концом, который ближе по химической природе к молекулам растворителя. Выше же критической концентрации мицеллообразования молекулы начнут «съеживаться» (подобно поведению ежа в моменты опасности), образуя замкнутые ассоциаты, гидрофильная или гидрофобная часть которых полностью замкнута в объеме мицеллы (рис. 9.3). Если растворить ПАВ в полярной среде (например, в воде), то наружу будут обращены полярные части молекул, а мицеллы будут называться «прямыми». Если же молекулы ПАВ поместить не в воду, а, например, в неполярное масло, то они, словно ежик, свернутся в клубки, выставив, как иголки, наружу свои гидрофобные хвосты. Такие мицеллы носят название «обращенных». Движущей силой такого поведения молекул является уменьшение межфазного натяжения на границе мицел- ла-растворитель.

191

Графит часто используется в качестве смазки в некоторых механизмах с трущимися частями. Сильные связи между отдельными атомами графита объясняют высокую температуру его плавления. Графит не растворяется в воде и органических растворителях, но способен проводитьэлектрический ток.

Значительно более прочным соединением атомов углерода является алмаз. Благодаря сильным ковалентным связям каждого атома углерода с тремя соседними атомами они образуют прочную объемную кристаллическую решетку. Алмаз настолько прочен и тверд, что используется для резки, сверления и полировки других материалов в промышленности.

Алмаз имеет очень высокую температуру плавления (около 4000 ° С), ведь для разрушения кристаллической структуры нужно разорвать все сверхсильные ковалентные связи между атомами. Алмаз, как и графит, не растворяется в воде и других органических растворителях. Однако алмаз не проводит электрический ток. Дело в том, что все электроны в нем прочно удерживаются между атомами и не могут перемещаться по решетке.

Люди издавна ценили алмазы за их необыкновенное сияние и блеск. Однако ученых они привлекали своей чрезвычайной твердостью и малой сжимаемостью. Алмазы прекрасно проводят тепло и очень слабо расширяются с увеличением температуры. Они не вступают в реакцию с большинством сильных кислот или оснований. Алмазы прозрачны в очень широком диапазоне: не только для видимого света, но и для ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Третью модификацию – карбин, фуллерен – открыли в 60-х годах XX в. Карбин представляет собой линейные кристаллы, в которых атомы углерода связаны двойными или чередующимися одинарными и тройными связями. В 70-х годах при попытках астрофизиков объяснить природу спектров излучения межзвездной пыли Г. Крото предположил, что их источником являются макромолекулы углерода С60 размером всего 1 нм, имеющие форму усеченного икосаэдра (рис. 9.5). Такую форму имеет футболь-

194

ный мяч. Термин «фуллерен» происходит от имени Ричарда Букминстера Фуллера, сконструировавшего оригинальный купол павильона США на выставке ЕХРО-67 в Монреале в форме сочлененных пентагонов и гексагонов. В 1985 г. группой английских химиков, возглавляемой Г. Крото, молекулы С60 были зарегистрированы с помощью масс-спектрографа в саже (Нобелевская премия по химии, 1996 г.).

Рис. 9.5. В угле и графите атомы углерода расположены

вплоскостях, в алмазе – в объемной кристаллической решетке, а в фуллерене – в сферическом каркасе

Схимической точки зрения фуллерен представляет собой аллотропную модификацию углерода, уникальную своей молекулярной структурой – практически идеальные шарики удерживаются вместе только слабыми вандерваальсовыми силами. Очень необычна история открытия фуллеренов, которые сначала были предсказаны теоретически и лишь через 20 лет обнаружены экспериментально, вызвав настоящий «фуллереновый

195

бум» в научном мире. Уже сейчас опубликованы тысячи научных статей, книг, брошюр, посвященных данной теме, обсуждается возможность самых необычных применений этого соединения в наноэлектронике, медицине, технике (например, в качестве основы для синтеза искусственных алмазов, элементов квантовых компьютеров, для создания новых электронных приборов, а также в составе лекарств и смазочных веществ).

Следует отметить, что С60 – это далеко не единственный представитель фуллеренов. В настоящее время под фуллеренами понимаются углеродные молекулярные кластеры с четным, более 20, количеством атомов углерода, образующих три связи друг с другом.

Простейший его представитель С20 до сих пор экспериментально не получен – при синтезе преимущественно образуются молекулы С60, а также высшие фуллерены с четным числом атомов, вероятно, из-за стабильности таких каркасов. Причина отсутствия малых фуллеренов связана, по-видимому, с тем, что с уменьшением размера структура становится более напряженной и склонной к полимеризации. Сам по себе фуллерен плохо растворим в воде и не проводит электрический ток, однако модификация поверхности фуллеренового «шара» или заполнение его внутреннего пространства атомами металлов приводит к заметному изменению физических свойств, например переходу в сверхпроводящее состояние или проявлению магнетизма. Такие молекулы фуллерена называются фуллеритами.

Нанотрубки

Из атомов углерода могут образовываться также различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестиугольных колец. Эти структуры являются полыми внутри и имеют замкнутую поверхность. Среди них выделяются наночастицы и нанотрубки. Наночастицы подобны фуллеренам, но значительно превосходят их по размерам. Они могут состоять

196

из нескольких слоев, образуя «луковичные структуры» или онионы (от англ. оnion – луковица). Нанотрубки представляют собой графитовые сетки, свернутые в трубки, и могут быть как открытыми, так и закрытыми с концов (рис. 9.6), однослойными и многослойными.

Рис. 9.6. Примеры некоторых структур углеродных нанотрубок: а – кресельная, б – зигзагообразная, в – хиральная

Однослойные углеродные нанотрубки (carbon nanotubes) открыли почти одновременно в 1991 году Сумио Ииджима и Тошинари Ичихаши (Toshinari Ichi-hashi) в Японии, а также Дональд С. Бетун (Donald S. Bethune) в США. Обе группы ученых описали образование фуллерена С60 в саже на стенках камеры дугового разряда и обнаружили, что сажа состоит из множества однослойных углеродных нанотрубок приблизительно с одинаковым диаметром.

197

Нанотрубки встречаются в природном материале – шунгите, – однако в настоящее время они получаются искусственно.

В зависимости от условий синтеза возможно получить как

одностенные углеродные нанотрубки, похожие на очень тонкий и длинный цилиндр, «склеенный» из гексагональной углеродной сетки, так и многостенные нанотрубки. Последние представляют собой либо сверток, аналогичный бумажному свитку, либо набор одностенных труб, вставленных друг в друга наподобие матрешки (рис. 9.7). В зависимости от того, как именно из графитовой плоскости «вырезать полоску» и как ее свернуть, диаметр трубки может варьироваться в широких пределах от 0,4 до 100 нм, а длина – от 1 до 100 мкм.

Рис. 9.7. Схема вложенных нанотрубок, когда одна трубка находится внутри другой

Углеродные нанотрубки обладают разнообразными свойствами, демонстрируя, несмотря на свою кажущуюся хрупкость и ажурность, высокую прочность на растяжение и изгиб, способность перестраиваться под действием механических напряжений, высокую проводимость, необычные магнитные и оптические свойства (табл. 9.1).

Поражает воображение разнообразие применений нанотрубок, одни из которых только придуманы «на бумаге», а другие –

198

реализованы в действительности. Нанотрубки могут использоваться в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей: согласно результатам численного моделирования модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 103 ГПа, что на порядок выше, чем у стали. Теоретики подсчитали, что из нанотрубок можно создать самые прочные волокна в мире, которые почти в 100 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Недаром реализация одного из грандиозных проектов будущего, строительства космического лифта, так называется новая технология доставки грузов и пассажиров с поверхности Земли на космическую орбиту, основывается на уникальной механической прочности трубок. К настоящему моменту экспериментально подтверждено, что «микротрос» из нанотрубок

199

толщиной с человеческий волос способен удерживать грузы в сотни килограмм!

Идея космического лифта не нова. В 1895 году после посещения Эйфелевой башни русский ученый Константин Циолковский впервые высказал идею конструкции «космической башни», состоящей из катушки с кабелем, растянутым до высоты геостационарной орбиты. Эта идея пришла ему в голову после наблюдения за обычными лифтами, которые доставляли изумленных зрителей на вершину Эйфелевой башни. На рис. 9.8 показана схема такого лифта.

Рис. 9.8. Космический лифт для доставки грузов нагеостационарнуюорбиту

200