Образование и кинетика роста кластеров в растворах фуллерена

• Автор: Тропин, Тимур Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 103 с. : ил.

Глава 1. Обзор экспериментальных данных по наблюдению кластеров в растворах фуллерена Сбо
1.1 Классификация растворов Обо по типу кластеров
1.1.1. Кластерообразование в слабо полярных растворителях.
Молекулярные растворы без кластеров
1.1.2. Кластеры Сбо в азотсодержащих растворителях
1.1.3. Коллоидные растворы фуллерена в воде
1.2. Экспериментальные методы исследования растворов фуллерена
1.2.1. Определение растворимости фуллерена
1.2.2. Динамическое светорассеяние
1.2.3. УФ-Вид спектроскопия
1.2.4. Электронная микроскопия
1.2.5. Малоугловое рассеяние нейтронов
Глава 2. Малоугловое рассеяние нейтронов на растворе фуллерена С во в сероуглероде
2.1. Обзор экспериментов по малоугловому рассеянию нейтронов
на растворе фуллерена Сбо в сероуглероде. Постановка задачи
2.2. Приготовление растворов и описание экспериментов
2.2.1. Приготовление образцов
2.2.2. Описание установок
2.2.2.1. Установка ЮМО (ЛНФ)
2222. Установка YS (BNC)
2.2.3. Модельные расчеты
2.2.4. Обработка данных
2.3. Результаты экспериментов
2.4. Обсуждение. Сравнение с дополняющими методами и результатами моделирования системы с помощью молекулярной динамики
2.5. Выводы

Глава 3. Кинетика кластерообразования в слабополярном растворителе
3.1. Базовая модель и кинетические уравнения
3.2. Капельная модель кластеров в описании раствора фуллерена Сбо
в сероуглероде и других неполярных растворах
3.3. Модификации капельной модели и их сравнение с экспериментальными результатами
3.3.1. Модель ограниченного роста
3.3.2. Модель растворения фуллерена Сбо с учетом кластерообразования
3.4. Выводы
Глава 4. Малоугловое рассеяние нейтронов на растворах фуллерена
Сбо в ]М-метилпирролидоне, воде и смеси К^метилпирролидон-вода
4.1. Модели структуры кластеров в растворах фуллерена Сбо в Г4-метилпирролидоне, воде и смеси 14-метилпирролидон-вода
4.2. Вариация контраста в малоугловом рассеянии нейтронов.
Постановка задачи
4.3. Приготовление растворов и описание экспериментов
4.3.1. Приготовление образцов
4.3.2. Описание установок
4.4. Результаты экспериментов
4.5. Обсуждение. Сравнение с дополняющими методами
4.6. Выводы
Заключение
Литература

В современной физике конденсированного состояния большой интерес проявляется к изучению наноструктур - систем с характерными размерами в диапазоне 1-100 нм. В частности, к таким системам относятся кластеры фуллерена. Сами молекулы фуллерена являются новой аллотропной формой углерода, открытой в 1985 году [1] в саже после испарения графита лазерным излучением. Это устойчивые симметричные образования с различным числом атомов С.
Рис. 1. Молекула Сбо- Наиболее стабильной из них является фуллерен Сйо (Рис. 1). Геометрическая форма этой молекулы представляет собой икосаэдр, усеченный сферой так, что он состоит из 20 правильных пятиугольников и 12 шестиугольников, образующих замкнутую поверхность с симметрией близкой к сферической. Средний диаметр молекулы Сбо составляет примерно 1 нм. Наряду с Сво к классу фуллеренов относятся также молекулы С70, С76, С78, С84 и другие, отличающиеся более низкой симметрией и большим числом шестиугольников на поверхности.
Интересной и важной особенностью данных молекул явилось то, что, в отличие от других форм углерода (графит, алмаз), фуллерены хорошо растворяются в широком классе органических и неорганических растворителей. Эту особенность связывают со структурой фуллеренов, которая приводит к сравнительно слабому взаимодействию молекул в кристалле между собой и способствует растворению фуллерена. На сегодняшний день определены и проанализированы растворимости Сбо в большом количестве жидкостей [2-4]. Показано, что в целом растворимость фуллерена падает с ростом полярности растворителя. Если для Сбо самая большая растворимость в хлор нафталине составляет 60 мг/мл, то в спиртах она понижается до 0.01 мг/мл, и в воде фуллерен Сбо практически не растворим (< 10'11 мг/мл). Выявлен ряд необычных свойств растворов фуллерена. Так, для некоторых растворителей был обнаружен эффект аномальной зависимости растворимости фуллерена от температуры, при Т около 280 К в этих системах наблюдается максимум растворимости Сбо, после которого она начинает понижаться [5]. Данное явление эффективно используется на практике при разделении Сво от других видов фуллеренов, которые не проявляют такую зависимость. Другими эффектами, характерными для растворов Сво, являются сольватохромный эффект (резкое изменение спектра оптического поглощения фуллерена, растворенного в смеси растворителей при незначительном изменении состава растворителя) [6] и нелинейная
Полученный результат подтверждает результаты работы [52] и показывает, что значимого взаимодействия между молекулами растворителя и фуллерена, а также между молекулами Сбо в растворе нет.
Дополнительной проверкой наличия сольватированных молекул Сбо в растворе может стать сравнение наших данных с модельными кривыми рассеяния на таких системах. Модель сольватированной молекулы - C6oe24[CS2] описана в работе [51]. Согласно этой модели, вокруг каждой молекулы Сбо определенным образом организуется оболочка из 24 молекул растворителя, что приводит к повышению плотности длины рассеяния нейтронов и увеличению наблюдаемого радиуса инерции Сбо в растворе. Профиль плотности длины рассеяния нейтронов такой системой, рассчитанный по данным, предоставляемым в работе [51] представлен на рис. 2.16.
1 1 ' 1 1 1 ' 1 1
О 2 4 6 8
г, А
Рис. 2.16. Профиль плотности рассеяния нейтронов на системе Сбо*24[С82]. Параметры
модели взяты из работы [51].
По известному профилю плотности длины рассеяния нейтронов можно рассчитать модельную кривую интенсивности рассеяния нейтронов на системе. Результаты таких расчетов, в сравнении с экспериментальными данными для раствора Сбо/СБг концентрацией 7.9 мг/мл представлены на рисунке 2.17.
Расчет радиуса инерции сольватированной молекулы фуллерена методом Гинье (рис. 2.18) дает 11г=3.98 А. Таким образом можно сделать вывод, что предлагаемая в работе [51] модель сольватированной молекулы фуллерена - Сбо*24[С82] не может описать экспериментальные данные.