Cấu trúc hình dạng và chức năng củaFullerenes

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM
Khoa công nghệ vật liệu
Môn học: Vật liệu mới

Bài tập tiểu luận: “Fullerenes và những cấu trúc khác:
Sự đa dạng, hình dạng và chức năng ở trong những
cấu trúc nano cacbon kín”.
GVHD: Trần Văn Khải
Nhóm : 7 Nguyễn Văn Huân V1101314
Trần Thế Hiển
V1101168
Trần Thanh Phong V1102559
Đỗ Tuấn Anh
V1100054
Nguyễn Bá Thịnh V1103409
Ng.Linh Bảo Giang V1100910


I. Hình dạng và đặc điểm của cấu trúc fullerenes.
II. Các phương pháp tổng hợp.
III. Thuộc tính hóa lý của fullerence.
IV. Các ứng dụng của fullerence.


I. Hình dạng và đặc điểm của cấu trúc fullerenes:
1. Cấu trúc nano kín.
- Buckminsterfullerene là một phân tử fullerene dạng cầu
với 60 cacbon. Có cấu trúc nano có thể có độ cong để tránh
các liên kết kém bền và trở nên ổn định hơn.

- Xét trong không gian 3D bề mặt chìm bên trong chỉ hiện 2

độ cong chính. Các sản phẩm của độ cong gọi là độ cong
Gauss K và bình thường được gọi là độ cong trung bình H
=( c1 + c2)/2.

- Theo các dấu hiệu của độ cong Gauss chúng ta có thể xác
định hình dạng mà một điểm cụ thể trên một bề mặt:

+ Trên bề mặt của một khối cầu, tất cả các điểm có độ cong
chính ứng với các điểm đều giống nhau, và do đó độ cong
Gauss luôn là thích hợp ở mọi nơi.


+ Trong hyperbolic các độ cong chính có điểm khác nhau, và
do đó sản phẩm luôn không thích hợp. Điều này có nghĩa là
các điểm là điểm uốn, và đường cong theo chiều ngược nhau.
+ Trong tự nhiên, ít có sự khác nhau ở mức phức tạp, bao
gồm các cấp độ nguyên tử, nó có thể xác định các đối tượng
0, độ cong dương và âm.

2. Cấu trúc nano zero, uốn cong dương và âm.

- Graphit là một tinh thể được hình thành bởi các nguyên tử

cacbon tạo hình lục giác. Một lớp duy nhất của than chì gọi
là graphen. Trong graphen, độ cong chính là 0.

- Các nhà toán học đã xác định một bề mặt tối thiểu như một

bề mặt bằng 0 có nghĩa là độ cong tại tất cả điểm. Dó đó, bề
mặt tối thiểu là bề mặt được hình thành cong đối xứng .

Hình a, b ngũ giác trong một graphitic mảnh gây ra độ cong Gauss dương
Hình c,d hình bảy góc trong một mảnh graphitic gây ra độ cong Gauss âm


3. Classical fullerenes và nonclassical fullerenes.
- Một fullerenes có thể được hiểu như là một lớp vỏ carbon
khép kín, trong đó mỗi nguyên tử carbon được phân chia bởi
nguyên tử xung quanh.
- Classical fullerenes chứa vòng lục giác và 12 vòng ngũ
giác của cacbon

Hình a. Classical C40 fullerene
fullerene

Hình b. Classical C80


- Nonclassical fullerenes đưa ra vòng với số lượng ít

hoặc nhiều hơn sáu nguyên tử carbon, có thể là vòng
vuông hoặc vòng bảy cạnh. Đối với mỗi vòng bảy
cạnh, them vòng Ngũ giác là cần thiết để bù đắp cho
độ cong Gauss âm của vòng bảy cạnh (Hình. 3.5d).
Fullerene mà trong đó có sáu vòng vuông cũng có thể
là coi như nonclassical.

Hình c. Nonclassical fullerene C62

- Thực nghiệm người ta thấy rằng các fullerene nhiều nhất
là C69 hay Buckminsterfullerene, được tổng hợp bởi
Kroto và đồng nghiệp vào năm 1985 bằng cách sử dụng
tia laser

- Một cách khác nhau để tổng hợp fullerene là do phóng
điện hồ quang điện, được sử dụng bởi Krätschmer và
đồng nghiệp vào năm 1990.


II. Các phương pháp tổng hợp.
1. Phương pháp laze.
- Năm 1985, các phân tử là đầu tiên được xác định là một cụm rất đặc
biệt của 60 cacbon nguyên tử có hình dạng quả bóng.Thí nghiệm này
dùng xung laze chống lại một graphit dưới không khí helium để giảm các
phản ứng của các nguyên tử cacbon.

- Nhưng những thí nghiệm tia lazer mà được tiến hành ít với C60 và

những fullerence khác, điều này ngăn cản các nhà khoa học xác định
cấu trúc chính xác và tính chất hóa lý của chúng.

2.Phương pháp hồ quang điện.
- Năm 1990 Krätschmer sử dụng một lò hồ quang điện với 2 điện cực
thanh grahit trong điều kiện khí trơ để ngăn cac phản ứng xảy ra. Lượng
C60 thu được bằng phương pháp này đủ để hòa tan nó trong benzen và kết
tinh lại.

- Một phương pháp khác ở nhiệt độ cao liên quan đến hồ quang

điện sản xuất C60 và fullerence cao hơn liên quan đến một
plasma ghép trong đó một là plasma và tấn số vô tuyến, một trực
tiếp tại nguồn DC bắn tia lửa điện hoạt động với nhau có thể tạo
ra sự bay hơi của cacbon.

3. Phương pháp nhiệt phân.
Năm 1993, phương pháp sản xuất C60 và C70 bằng cách:

• Nhiệt phân naphthalene ở 1000oC
• Nhiệt phân các tiền chất hữu cơ khác như binaphthyl và
oligonaphthylene ở 1100 ◦C .

Tổng hợp C60 ở 700 oC khi khử CO2 với lithium kim loại.
Hơn nữa, C60, C70, và fullerene cao hơn đã được thu được bằng
cách nhiệt phân ống nano carbon đơn vách 1200 ◦C


4. Phương pháp tập trung dòng năng lượng mặt
trời.
Bức xạ mặt trời có thể được tập trung và kiểm soát để xây
dựng lò mà có thể đạt nhiệt độ cao khoảng 3000oC và do
đó làm bay hơi graphit để tạo fullerene. Mặc dù phương
pháp này liên quan đến nhiệt độ cao như trong phóng điện
hồ quang và cắt lazer, nó có thể được mở rộng để tăng
năng suất.


III. Thuộc tính hóa lý của fullerence.

1. Cơ tính và chuyển pha bán dẫn fullerence.
Fullerites được hình thành do sự kết tinh của fullerence
fullerites có cấu trúc lập phương tâm mặt với tham số là
14,198 A0 và trưng bày các phân tử vô định hướng.
Khi nhiệt độ giảm xuống còn 294K các phân tử C60 bị
lệch và lập phương tâm mặt thay đổi đến giai đoạn một khối
đơn giản.
C60 fullerit ổn định ở áp suất thủy tĩnh 20Gpa, nhưng khi
áp lực là nonhydrostatic, thay đổi được tạo ra, hạ thấp tính
đối xứng của tinh thể C60.
Regueiro và đồng nghiệp thấy rằng áp lực nonhydrostatic
lên fullerence có thể dẫn đến kim cương đa tinh thể ở nhiejt
độ phòng.


2. Thuộc tính điện va siêu dẫn của fullerence:
Chất bán dẫn của các tinh thể fullerite với khoảng cách Eg trên 1.5eV.
Những tấm film (màng mỏng) của C60 và C70 pha tạp với các kim loại
kiềm (Rb, K, hoặc Cs) dẫn điện.
Trong các pha AC60fullerite, nơi Ais Rb, K, hoặc Cs, liên kết do [2 + 2]
liên kết xyclo giữa các phân tử C60 được quan sát, kiềm ) làm giảm 9% của
các thông số ô trong một hướng và vì vậy dẫn đến trùng hợp của các phân tử
C60 theo một hướng.
Tuy nhiên, sự siêu dẫn đã được quan sát thấy ở nhiệt độ thấp. C60
fullerite pha tạp với các nguyên tử kali thể hiện nhiệt độ siêu dẫn ở 18 K.
Theo phân tích của Rietveld dữ liệu nhiễu xạ x-ray, các siêu dẫn pha
K3C60 tương ứng với (ô mạng Fcc) với các nguyên tử kali chiếm các lổ
trống.
Nhiệt độ siêu dẫn có thể được tăng lên đến 28 K khi sử dụng Rb và lên
đến 33 K khi sử dụng cesium và rubidium cùng với với nhau.

3. Hóa học của fullerence.
C60 và fullerene hơn đã mở ra một hướng hóa học mới, trong đó
fullerenes nắm vai trò quan trọng.
Đóng một vai trò quan trọng trong các phản ứng hóa học: Có 30 (66) liên kết tại các nút giao giữa hai vòng cyclo với chiều dài liên kết
của ca 1,38 Å. Các liên kết này có một liên kết đôi .
Mặt khác, có 60 liên kết giữa ngũ giác lân cận và hình lục giác (6-5)
với chiều dài khoảng 1,45 Å.
Sự ra đời của một liên kết đôi giữa một hình lục giác và ngũ giác
đều tiêu tốn năng lượng (khoảng 8,5 kcal / mol).
Vì vậy, thông qua các liên kết đôi, C60 có thể tương tác với các
nguyên tử hay phân tử khác.
Thí nghiệm tính chất điện cho thấy quá trình oxy hóa của C60 và
C70 xảy ra rất khó khăn


IV. Các ứng dụng của fullerence.
Một trong những mong đợi của công nghệ nano là để giúp
giải quyết các vấn đề liên quan đến sức khỏe, năng lượng và
môi trường. Trong bối cảnh này, các nhà nghiên cứu fullerene
đã có những đóng góp quan trọng cho thấy tiềm năng của các
phân tử tuyệt vời. Trong phần này, một số tiến bộ phù hợp nhất
được trình bày.
Fullerenes cũng đã mở ra lĩnh vực nghiên cứu cơ bản khác
với các vật liệu liên quan như carbon onions, trong đó bao gồm
fullerenes lồng nhau, peapods fullerene, fullerene cao ,
fullerene vô cơ được làm bằng kim loại chalcogenides, và kim
cương nano.

1. Fullerence và sức khỏe.
Các ứng dụng dẫn xuất fullerene có thể có như sử dụng trong các
loại thuốc chống oxy hóa và các tác nhân bảo vệ thần kinh, hoạt
động chống lão hóa, phân chia DNA, ức chế enzyme, hoạt động
kháng khuẩn, điều trị bệnh loãng xương, các kháng thể đơn dòng
antifullerene, tác nhân tương phản và chất phóng xạ, và các ngân
hàng duy truyền gen. Ngoài ra, fullerene có thể giúp đỡ trong
việc ức chế phản ứng dị ứng.

2. Fullerence trong tế bào năng lượng mặt trời:
Các dẫn xuất fullerene hòa tan cao như methanofullerene [6,6]
-phenyl C61-butyric acidmethyl ester, một azafulleroid mới, và
một quasifullerene ketolactam đã được tổng hợp để sử dụng như
chất nhận electron trong các tế bào năng lượng mặt trời bằng
nhựa.


3. Nested Fullerenes: Carbon Onions.
Là một sản phẩm phụ của các thí nghiệm hồ quang phóng
điện, nó thường được tìm thấy, bên cạnh các ống nano
carbon và C60, hạt đa diện của carbon mà trông giống như
fullerene lồng nhau.
Hình. (a) Carbon onions thu được bằng cách chiếu xạ
electron và nung nóng. Khoảng cách graphitic bên trong
onions là ngắn hơn so với bên ngoài do các hiệu ứng áp
lực (sau khi [3,111], lịch sự của Elsevier). (B) Mô hình
của một carbon onions trong đó các cầu thể của cấu trúc
nano thu được bằng việc bổ sung các hình bảy góc-ngũ
giác cặp carbon: mô hình Terrones. (c) Cắt của onions

được hiển thị trong (c) mô tả một số fullerenes lồng nhau


Hình.a-c ảnh phóng to icosahedral (Ih) fullerene: (a) C540, (b) C960, và (c)
C1500)


Hình 3.9 (a) lớp vỏ “Carbon onion” và mầm kim cương được gieo vào trung tâm
(b) mô hình của carbon onion hai lớp với nhân kim cương.
(c) hình (TEM)
*Áp lực bên trong lớp vỏ carbon và sự nhiễu xạ e- giúp hình thành kim cương


4. Ứng dụng của carbon onion:
• Sử dụng như vật liệu mục tiêu x-ray
• điện cực trong pin LiIon
• hấp thụ sóng băng thông rộng
Vd:,khi carbon onion chứa Ni là vật liệu hấp thụ tốt
sóng điện từ ở dải 2-18 GHz
• Tạo nguồn phát xạ e- (Gắn trên đỉnh của dây
nano vonfram) duy trì và ổn định kéo dài dòng
phát xạ ở 100μA


• Trong sinh học, được sử dụng như các cảm biến
sinh học với độ độc hại nhỏ hơn TiO2
• Carbon onion với nhân nano Fe-Co được hòa tan
và dùng trong chụp cổng hưởng từ
• cũng dùng điều trị quang nhiệt trong môi trường từ
tính

5. Fullerene Peapods(ống)và fullerene Coalescence(sự kết
hợp)
Fullerene Peapods Hình thành trong quá trình làm bốc hơi
bằng laser.
Hình 3.10 (a) Các ống nano carbon với C60
bên trong gọi là fullerene peapods.
(b)một mặt cắt cho thấy các phân tử C60 bên
trong (Hình. 3.10)


Hình. 3.11 Dãy ảnh TEM
hiển thị hóa hợp của C60 trong
lòng của một SWNT bị cô lập.
(a) hình dạng ban đầu với một
lương e- tối thiểu.
(b-h) hình ảnh liên tiếp ghi lại
trong khoảng thời gian 60-90 s.
Hình dạng tạo thành do sự hợp
nhất C60-C60 trội hơn C60SWNT


Hình. 3.12 (a) ống nano
carbon với các phân tử C60
hợp nhất hình thành một ống
nano dạng sóng.
(b) ảnh (TEM) của một ống
nano carbon với ống dạng
sóng bên trong được gọi là

fullerene coalescence


6. Fullerene cao cấp
Vẫn có khả năng là hình thành cấu trúc cao cấp như có
hình xuyến (Fig. 3.13), mà có thể đáp ứng từ trường, tạo
ra từ tính tại một thời điểm nào đó, tùy thuộc vào sự định
hướng của C60.
Có thể là sự kết hợp của nhiều fullerene, bắt đầu từ các
cấu trúc giống lớp vỏ (onion);
Ví dụ: một loại fullerene 11 lỗ đối xứng(Ih) kết hợp từ
coalescing Ih C500 và Ih fullerene C240 (Hình.
3.14).thấy rằng lỗ của chúng được sử dụng như các kênh
hoạt động để gắn các phân tử hay nguyên tử bên ngoài
[3,149], là phân tử cảm biến hoặc lưu trữ hydro [3,150].
Các họ fullerene cao cấp khác nhau đã được liệt kê và
phân loại theo dang hình học của chúng