ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ УГЛЕРОД

 

Глава III.1.

 

Введение

 

Не смотря на то, что с момента экспериментального открытия молекулы фуллерена [1] прошло уже достаточно много времени, обзоры и книги по этой актуальной теме (см., например, [2-7]) до сих пор более всего напоминают альбомы эстетствующих конструкторов пространственных геометрических фигур. В большинстве случаев они заполнены красивыми рисунками и экспериментальными фотографиями каркасных структур, состоящих из произвольного количества пяти-, шести- и семиугольников. Действительно, количество зарегистрированных и гипотетических углеродных форм впечатляет. Фактически любая сложная углеродная молекула или нанокластер, состоящая из углеродных пяти-, шести- и семиугольников имеет полное право на существование. Это потрясающее многообразие и привело к тому, что, фактически, до настоящего времени наука о формах элементарного углерода еще не вышла из «зоологического» периода.

 

Сейчас хорошо известно, что еще задолго до экспериментального открытия фуллеренов, нанотруб и других каркасных форм элементарного углерода, они были теоретически описаны с применением, например, квантово-химических подходов [8,9]. Более того, в начале 80-х даже в отечественной научно-популярной химической литературе большое количество подобных структур и их свойства были предсказаны и описаны, как потом оказалось, с хорошей точностью [10].

 

Фактически, зарождение науки об элементарных формах углерода стало триумфом теоретических квантово-химических методов, в рамках которых основные типы углеродных структур были предсказаны и описаны. Уже после экспериментального открытия фуллеренов, эти данные были во многом подтверждены электронной и фотоэлектронной спектроскопией, колебательной спектроскопией, рентгеновской и оптической спектроскопией, спектроскопией магнитного резонанса, Мессбауровской спектроскопией, различными вариантами сканирующей туннельной электронной спектроскопии и другими экспериментальными методами, с помощью которых получают информацию об атомной и электронной структуре вещества.

 

В чем причина того, что до сих пор химические и физические свойства элементарных форм углерода продолжают удивлять и химиков, и физиков? Почему, казалось бы, давно известные и хорошо понятные структуры алмаза и графита (на который больше всего и похожи вновь открытые структуры) не проявляют, например, окислительных свойств, как это имеет место в случае фуллеренов и нанотруб? Самый общий ответ кроется в особенностях электронной и атомной структур этих соединений. Если в классических плоских ароматических структурах s- и p-связи геометрически являются ортогональными, то в фуллеренах и нанотрубах, за счет ненулевой кривизны поверхностей – нет. Эта неортогональность и определяет практически все многообразие и отличие их свойств.

 

Углеродные наноструктуры, из-за своих размеров, фактически являются переходным мостом между отдельными молекулами и кристаллами. Сейчас в литературе активно обсуждается возможность применения различных углеродных наноструктур в электронике (ансамбли квантовых точек, одноэлектронные транзисторы, ячейки памяти на один электрон, самые маленькие проводники тока, квантовые нити и др.), при создании квантовых компьютеров, спектроскопии, энергетике, конструировании различных перспективных композитных материалов, обладающих, к примеру, уникальными жесткостными характеристиками и т.д.

Так, к примеру, в [11] рассмотрены принципы создания на основе одной молекулы С₆₀ одноэлектронного транзистора. В [12], используя полупроводниковые свойства пленок С₆₀ и материалов, содержащих молекулы фуллерена, были созданы такие электронные устройства, как диоды, фотодиоды и солнечные батареи. Эти устройства продемонстрировали очень стабильные и воспроизводимые свойства, что, по мнению авторов, обеспечивает таким материалам широкое применение в электронике. Люминесцентные свойства ряда органических производных рассматривались в работах [13, 14], что также позволяет применять эти вещества при производстве различных электронно-оптических устройств.

 

Недаром ведущие страны мира, например Япония, активно развивают это направление, делая упор именно на прикладных аспектах углеродной проблемы [15]. Так, в амбициозном пятилетнем проекте японского Министерства международной торговли и индустрии «Многофункциональный углерод и связанные с ним материалы» особое внимание уделено программе исследований, направленных именно на возможных применениях новых форм углерода в различных сферах высоких технологий. Бюджет этого проекта составляет по 12 миллионов американских долларов ежегодно. В рамках проекта проводятся работы по исследованию фуллеренов, углеродных нанотруб, нитрида углерода и алмазоподобного углерода. Работы проводятся целью разработки новых технологий и производств. Планируется, что будут разработаны новые устройства для управления фотонами, к примеру – сканирующий оптический микроскоп ближнего поля, полупроводники и материалы для плоских дисплеев. Все вышеперечисленные свойства и, следовательно, потенциальное применение углеродных наноструктур, основано на их электронных и атомных свойствах.

 

Электронные и атомные свойства углеродных структур изучают широким набором теоретических методов, включающим в себя различные версии метода Хартри-Фока, методы функционала локальной плотности, зонные методы и различные модельные методы, в рамках которых описываются эффекты сильных электронных корреляций. В последнее время для исследования этого класса объектов применяется метод молекулярной динамики, в рамках которого удалось описать динамическое поведение этих структур при различных условиях [16, 17, 18]. Развитие компьютерных технологий моделирования в физике и химии в настоящее время ушло настолько далеко, что результаты молекулярно-динамических исследований практически невозможно адекватно отразить на страницах традиционных печатных изданий, так как основным их результатом является молекулярно-динамическое кино. Из-за этого для людей, не знакомых с методом молекулярной динамики, чтение работ, посвященных подобным исследованиям, представляется достаточно трудным занятием с точки зрения оценки представляемых результатов. Эту ситуацию можно образно сравнить с пересказом слепому содержания последнего детектива, показанного по телевизору: Можно уловить канву изложения, догадаться, кто преступник, однако нельзя оценить игру актеров и уловить тонкие психологические моменты происходящего.

 

Современные технологии уже позволяют адекватно решить эту проблему. Представляемая читателю мультимедийная книга содержит результаты многолетних теоретических исследований электронной и атомной структур и динамики атомного остова ряда углеродных нанострукту (фуллеренов, нанотруб, различных их производных, фрагментов твердых тел на их основе, полимерных структур). Сюда включены не только описание результатов, но, что на наш взгляд существенно более важно, молекулярно-динамические фильмы и обширная коллекция (более трехсот) молекулярных структур. Все исследования проводились в группе квантовой химии лаборатории Физики магнитных явлений Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН. Эти работы поддерживались рядом проектов Госпрограммы ВТСП, РФФИ, ФЦП «Интеграция», «Фуллерены и нанокластеры», НАТО, Красноярским краевым фондом науки и пр. Авторы выражают свою признательность проф. Г.М. Жидомирову, С.Ф. Рузанкину, Марку Гордону за плодотворное обсуждение результатов, а так же сотрудникам и аспирантам С.А. Варганову, Ф.Н. Томилину, А.А. Кузубову и А.А. Федорову, которые провели ряд ключевых расчетов и подготовили ряд иллюстративных материалов этой книги.

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ III.1.

[1] Krotto H.W., Nature, 358, 220 (1992)

[2] Елецкий А.В., Смирнов Б.М., УФН 165, 977 (1995)

[3] Елецкий А.В., УФН 167, 945 (1997).

[4] Елецкий А.В., УФН 170, 113 (2000).

[5] M. Terrones, W.K. Hse, J.P. Hare, H.W. Krotto, H. Terrones, D.R.M. Walton, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 354, 2025 (1996).

[6] Ajayan P.M., Cmem. Rev., 99, 1787 (1999).

[7] Ajayan P.M., Ebbsen T.W., Rep. Prog. Phys. 60, 1035 (1997).

[8] Бочвар Д. А., Гальперн Е. Г., Докл. АН СССР, 209, 610 (1973).

[9] Корнилов М.Ю., Доклады АН УССР, серия «Б», 12, 1097 (1977).

[10] Корнилов М.Ю., «Химия и жизнь», 8, 22 (1985).

[11] Joachim C., Gimzewski J.K., Tang H., Phys. Rew. B58, 16407 (1998).

[12] Al-Mohamad A., Allaf A., W., Synt. Met., 104, 39 (1999).

[13] Mrzel A., Podobnik B., Hassanien A., Mihailovic D., Ozawa M., Synt. Met., 103, 2437 (1999).

[14] Hutchison K., Gao J., Schik G., Rubin Y., Wudl F., J. Am. Chem. Soc., 121, 5611 (1999).

[15] R. Nathan, Nature 39, 827 (1998).

[16] Andreoni W., Annu. Rev. Phys. Chem. 49, 405 (1998).

[17] Аврамов П.В., Варганов С.А., Овчинников С.Г., ФТТ, 42, 2103 (2000).

[18] White C.T., Mintmire J.W., Mowrey R.C., Brenner D.W., Robertson D.H., Harrison J.A., Dunlop B.I., In: Buckminsterfullerenes, Eds. By Billups, Ciufolini M.A., VCH Publishers, Inc.: NY, p. 125 (1993).