Номер 3, страница 55, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 2. Строение вещества. Параграф 13. Нанотехнологии и их применение - номер 3, страница 55.

Условие.

3. Чем различаются углеродные наноструктуры?

Решение.

Решение

Углеродные наноструктуры — это аллотропные модификации углерода, у которых хотя бы один из размеров находится в нанометровом диапазоне (от 1 до 100 нм). Они различаются между собой по нескольким ключевым параметрам: размерности, геометрии (форме), типу гибридизации атомных орбиталей углерода и, как следствие, по своим уникальным физическим и химическим свойствам.

Фуллерены

Это молекулярные структуры, которые можно отнести к 0D (нульмерным) нанообъектам, так как все три их измерения находятся в наномасштабе. Они представляют собой замкнутые каркасные молекулы, состоящие только из атомов углерода, образующих сферическую или эллипсоидальную поверхность. Самый известный представитель — фуллерен $C_{60}$ (бакминстерфуллерен), имеющий форму усеченного икосаэдра, похожего на футбольный мяч. Атомы углерода в фуллеренах находятся преимущественно в $sp^2$-гибридизации, однако из-за кривизны поверхности связи напряжены и имеют некоторый характер $sp^3$-гибридизации. В твердом состоянии фуллерены образуют молекулярные кристаллы.

Углеродные нанотрубки (УНТ)

Это 1D (одномерные) структуры, поскольку два их измерения (диаметр) находятся в наномасштабе, а третье (длина) может достигать микрометров и более. УНТ представляют собой полые цилиндры, образованные свернутым в трубку одним (одностенные УНТ) или несколькими (многостенные УНТ) слоями графена. Атомы углерода, как и в графене, находятся в $sp^2$-гибридизации. Ключевое различие между нанотрубками заключается в их хиральности — угле сворачивания графенового листа. От хиральности зависят их электронные свойства: нанотрубка может быть как металлом, так и полупроводником. Они обладают высочайшей прочностью на растяжение и высокой теплопроводностью.

Графен

Это 2D (двумерная) структура, представляющая собой одиночный плоский лист атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную (сотовую) кристаллическую решетку. Атомы углерода в графене находятся в «чистом» состоянии $sp^2$-гибридизации. Графен является фундаментальной основой для других углеродных структур: стопка листов графена образует графит, свернутый лист — нанотрубку, а замкнутый в сферу фрагмент листа — фуллерен. Он обладает уникальным набором свойств: рекордной электро- и теплопроводностью, механической прочностью и практически полной оптической прозрачностью.

Наноалмазы

Это 3D (трехмерные) нанообъекты, представляющие собой нанокристаллы с кубической кристаллической решеткой, идентичной решетке обычного алмаза. В отличие от вышеперечисленных структур, атомы углерода в наноалмазах находятся в состоянии $sp^3$-гибридизации. Это определяет их свойства, такие как чрезвычайная твердость, химическая инертность и широкая запрещенная зона. Благодаря своим размерам и свойствам они находят применение в качестве абразивов, носителей для доставки лекарств и компонентов для квантовых устройств.

Ответ:

Углеродные наноструктуры различаются в первую очередь своей размерностью и геометрией: фуллерены (0D, сферы), углеродные нанотрубки (1D, цилиндры), графен (2D, плоскость) и наноалмазы (3D, кристаллы). Эти структурные различия обусловлены разным типом гибридизации валентных орбиталей атомов углерода: в графене, нанотрубках и фуллеренах преобладает $sp^2$-гибридизация, тогда как для наноалмазов характерна $sp^3$-гибридизация. Различия в структуре и типе химических связей определяют кардинально разные физические и химические свойства каждой наноструктуры (электрические, механические, оптические, термические).