C60 i Nanotuby: Trzecia Struktura Karbonu

Trzecia forma ułożenia carbonu

Diamant i grafit były, przez dwa wieki, jedynymi znanej formami czystego carbonu — jeden to sztywny sp3 siatka, a drugi skonstruowany z warstw sp2. W 1985 roku Kroto, Curl i Smalley strzelili laserem do grafitu w strumieniu helu, próbując powtórzyć warunki atmosfery gwiazdy carbonowej, a maszyna spektrometryczna zawsze wracała do niezwykle dominującej góry na masie 720: dokładnie 60 atomów carbonu. Jedynym układem, który pasował — symetrycznym, zamkniętym, bez niewykorzystanych wiązań — był puste ciało w kształcie piłki futbolowej, nazwane buckminstersfullerenem na podobieństwo domek geodezyjne Buckminstera Fullera. Nagrodę Chemistry Nobel w 1996 roku to obecnie przypisuje im za odkrycie.

Liczenie cegły: Formuła Eulera

V − E + F = 2 (formuła Eulera dla zamkniętego wielościanu) C60: V = 60 atomów, E = 90 wiązań, F = 32 powierzchnie F = 12 pięciokątów + 20 sześciokątów 60 − 90 + 32 = 2 ✓ Każdy fulleren Cn o n ≥ 20 musi przestrzegać tej samej zasady 12-pięciokątnych; tylko liczba sześciokątów rośnie, co jest powodem istnienia większych cegł, takich jak C70 (elipsoidalna, z dodatkowym paskiem sześciokątów) i C84 jako stabilnych, izolowalnych molekuł, podczas gdy C20 — wszystkie pięciokąty, bez sześciokątów — jest rzeczywistym, ale bardzo napiętym dodekaedrem.

V − E + F = 2                     (Euler's formula for a closed polyhedron)
C60: V = 60 atoms, E = 90 bonds, F = 32 faces
     F = 12 pentagons + 20 hexagons
     60 − 90 + 32 = 2  ✓

Rolowanie folii w cylindryczny sztabyk

Zajrzyjmy do pojedynczej folii grafenu i zróbcie z niej bezpieczysty cylindr, otrzymacie pojedynczy ścianowy nanosztabyk (SWCNT). Sposób, w jaki go rola, jest opisany przez wektor chiralny (n, m), który łączy dwa punkty siatki, które się nadpisują przy seamie. Trzy rodziny wynikają bezpośrednio z tego parę liczb: sztabyk armchairowy (n = m), sztabyk zigzagowy (m = 0), a wszystko między nimi jest chiralne — powłoka sztabyka śladuje spiralę, a nie prostokątne pętle wzdłuż okręgu, a sztabyki o wektorach (n,m) i (m,n) są rzeczywiście niezgodne, jak lewa i prawa dłoń.

d = a · sqrt(n² + nm + m²) / π         (tube diameter, a ≈ 0.246 nm graphene lattice constant)
metallic if (n − m) mod 3 = 0, otherwise semiconducting

Dlaczynska cięność róży się od chiralności

Ta jedna arymetyczna warunek na (n, m) stanowi najbardziej decydujący fakt w elektronice nanotubów: około trzecia wszystkich możliwych nanotubów jest metaliczną i przewodniącą jak drut bez znaczącej rozpraszania przez mikronowe długości, podczas gdy pozostałe dwa trzecie są semikondutery, z bandgapem malejącym wraz ze wzrostem średnicy — około odwrotnie proporcjonalnym do d. Nanotub (10,10) rówka różyawszej jest zawsze metaliczny; nanotub (10,0) rówka przekątnej jest semikondutery. To dlatego masowa syntezapodstawowa nanotubów, która produkuje losowy zestaw chiralności, była tak trudna dla transistorów nanotubowych: musisz sortować nanotuby po chiralnościach po zakończeniu procesu, ponieważ metody rosnące nie wybierają jeszcze tylko jednej.

Co rzeczywiście je utrzymuje

Obie klatka i torbica są utrzymywane w stałym stanie przez silne w-płaszczyzny sp2 σ wiązania (energia wiązania carbonyl-carbonowy około 346 kJ/mol) oraz rozproszoną systemem delokalizowanego π, dlatego Fullereny i torby są chemicznie niewiele reaktywne i mechanicznie ekstremalnie twardy w kierunkach wiązań — torby mają mierzone moduły Younga zbliżone do terapaskalów, co jest jednym z najwyższych dla dowolnego materiału. W kurzu C60 krzywizna naciskuje idealny kąt sp2 równy 120 stopni w stronę około 108 stopni przy wierzchołkach pięciokątów, co jest dokładnie przyczyną tego, dlaczego izolowany-pięciokątny klatka C60 jest minimum lokalnego energii zamiast płaskiego grafenu ukrzywającego się przypadkowo w kulę.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Fullerene & Carbon Allotropes — C60, sp2 Bonds & Chirality i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.