Номер 2, страница 180 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

2. Как изменяются физические свойства фуллеренов в зависимости от способов их получения?

1. Какие методы и способы используются для получения наноматериалов?

Все методы получения наноматериалов условно делят на две большие группы: «сверху-вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up). Эти подходы принципиально различаются исходным состоянием вещества.

Подход «сверху-вниз» (диспергационные методы):

Этот подход заключается в получении наноразмерных объектов путем измельчения или разделения более крупных, макроскопических тел. Основная идея — убрать лишнее, чтобы получить структуру нужного размера. Ключевым недостатком является сложность контроля формы и размера частиц, а также внесение дефектов в структуру материала.

Основные методы:

• Механическое измельчение: Использование высокоэнергетических шаровых мельниц для размола исходного материала до наноразмерных порошков. Метод прост, но приводит к сильному загрязнению материала и широкому распределению частиц по размерам.
• Литография: Это группа методов, широко используемая в микроэлектронике для создания наноструктур на поверхности. Включает в себя фотолитографию (использование света для переноса рисунка на подложку), электронно-лучевую литографию (использование сфокусированного пучка электронов), рентгеновскую и ионно-лучевую литографию. Эти методы позволяют с высокой точностью создавать двумерные наноструктуры (наноразмерные в толщину).
• Лазерная абляция: Испарение материала с поверхности твердого тела под действием мощного лазерного излучения. Пары материала затем конденсируются, образуя наночастицы.
• Электроэрозионный метод: Разрушение материала под действием электрических разрядов в жидкой среде.
• Химическое и плазменное травление: Удаление частей материала с поверхности с помощью химически активных реагентов или плазмы для формирования нанорельефа.

Подход «снизу-вверх» (конденсационные методы):

Этот подход основан на сборке наноструктур из отдельных атомов, молекул или молекулярных кластеров. Он позволяет получать материалы с высокой степенью совершенства структуры и точно контролировать их размер и форму.

Основные методы:

• Химическое осаждение из газовой фазы (CVD - Chemical Vapor Deposition): Нагретая подложка помещается в поток газа, содержащего летучие соединения нужных элементов. В результате химических реакций на поверхности подложки осаждается тонкая пленка или растут наноструктуры (например, углеродные нанотрубки).
• Физическое осаждение из газовой фазы (PVD - Physical Vapor Deposition): Включает методы, при которых материал переводится в газовую фазу физическим путем (например, термическим испарением или ионным распылением) и затем конденсируется на подложке. К этому классу относится молекулярно-пучковая эпитаксия (MBE), позволяющая выращивать кристаллические структуры с точностью до одного атомного слоя.
• Золь-гель метод: Метод получения материалов (часто оксидов) из растворов через образование геля с последующей термической обработкой. Позволяет синтезировать наночастицы, пористые материалы и пленки при низких температурах.
• Методы коллоидной химии: Синтез наночастиц (например, квантовых точек, наночастиц металлов) путем контролируемого осаждения из растворов солей в присутствии стабилизирующих агентов, которые предотвращают их слипание (агломерацию).
• Самосборка: Спонтанное упорядочивание молекул в сложные надмолекулярные структуры за счет слабых взаимодействий (водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил). Этот принцип лежит в основе многих биологических процессов и используется для создания упорядоченных наноматериалов.

Ответ: Для получения наноматериалов используются две группы методов: «сверху-вниз» (механическое измельчение, литография, лазерная абляция) и «снизу-вверх» (химическое и физическое осаждение из газовой фазы, золь-гель метод, методы коллоидной химии, самосборка).

2. Как изменяются физические свойства фуллеренов в зависимости от способов их получения?

Способ получения не изменяет физические свойства отдельной молекулы фуллерена (например, C₆₀), так как они определяются ее уникальной атомной структурой. Однако способ синтеза и последующей обработки кардинальным образом влияет на свойства конечного макроскопического материала (так называемого фуллерита), который состоит из множества молекул фуллеренов.

Основные методы получения фуллеренов:

1. Электродуговой метод (метод Кречмера-Хаффмана): Испарение графитовых электродов в дуговом разряде в атмосфере инертного газа (гелия). В образующейся саже содержится смесь фуллеренов, преимущественно C₆₀ (около 10-15%) и C₇₀ (около 1-2%), а также высшие фуллерены.
2. Лазерная абляция графита: Испарение графитовой мишени мощным лазерным импульсом. Этот метод был использован при первоначальном открытии фуллеренов, но он менее производителен по сравнению с электродуговым.
3. Сжигание углеводородов: Контролируемое сжигание ароматических углеводородов (например, бензола) в пламени при пониженном давлении. Варьируя условия горения, можно в некоторой степени влиять на соотношение получаемых фуллеренов.

Влияние способа получения на физические свойства фуллерита (твердого фуллерена) проявляется следующим образом:

• Чистота и состав: Разные методы дают разный выход и разное соотношение фуллеренов C₆₀, C₇₀ и высших гомологов. Например, электродуговой метод дает стандартную смесь, а метод сжигания может быть настроен на получение более экзотических структур. После синтеза всегда требуется стадия очистки (обычно с помощью жидкостной хроматографии), эффективность которой определяет чистоту конечного продукта. Присутствие примесей (других фуллеренов, аморфного углерода, остатков растворителя) сильно сказывается на электрических и оптических свойствах.
• Кристаллическая структура: Фуллерит — это молекулярный кристалл. Его структура зависит от способа кристаллизации (выращивания из раствора или сублимации из газовой фазы). При комнатной температуре C₆₀ образует гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку. Наличие молекул растворителя, захваченных в процессе кристаллизации, может приводить к образованию других кристаллических структур (сольватов), что изменяет плотность, механическую прочность и электронные свойства материала. Чистота исходного сырья, полученного тем или иным способом, напрямую влияет на возможность получения качественных, бездефектных монокристаллов.
• Электрические свойства: Чистый фуллерит C₆₀ является широкозонным полупроводником (ширина запрещенной зоны $E_g \approx 1.5-1.8$ эВ) с очень низким удельным сопротивлением. Однако его проводимость чрезвычайно чувствительна к примесям. Например, интеркалирование (внедрение) атомов щелочных металлов (K, Rb, Cs) в решетку фуллерита, полученного из чистого сырья, приводит к созданию фуллеридов (например, K₃C₆₀), которые являются металлами и даже сверхпроводниками при низких температурах. Качество и чистота исходного фуллерена, определяемые методом синтеза, являются ключевыми для получения таких соединений с воспроизводимыми свойствами.
• Оптические свойства: Спектры поглощения и люминесценции фуллерита зависят от его чистоты и степени кристалличности. Примеси высших фуллеренов или остатки растворителей вносят дополнительные уровни в запрещенную зону, что приводит к изменению цвета материала и появлению новых полос в спектрах.

Таким образом, способ получения определяет первичный состав и чистоту фуллереновой смеси, что, в свою очередь, задает возможности для дальнейшей очистки и кристаллизации, от которых напрямую зависят все макроскопические физические свойства твердого фуллерена (фуллерита).

Ответ: Способ получения фуллеренов определяет состав (соотношение C₆₀, C₇₀ и др.), чистоту и дефектность конечного продукта. Эти параметры, в свою очередь, влияют на кристаллическую структуру, электрическую проводимость (от полупроводника до сверхпроводника при легировании), оптические и механические свойства макроскопического образца (фуллерита), получаемого после очистки и кристаллизации.