CC BY
58
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР ОТ БЕНЗОЛА ДО ГРАФИТА
М.Ф. Гребёнкин, Л.П. Лобова
Аннотация. В статье описаны методические подходы для анализа свойств ряда углеродных структур. Начальным объектом такого анализа является молекула бензола, все последующие структуры строятся из двух и более бензольных колец. Далее делается переход от известных химических элементов к таким наноструктурам, как графен, нанотрубки, фуллерены.
Ключевые слова: наноструктуры, улеродные структуры, молекулярный конструктор, бензол, графит, графен.
Summary. The article describes methodical approaches to the analysis of properties ofa number of carbon structures. The benzene molecule is the initial object ofsuch analysis, all subsequent structures are constructed from two and more benzene rings. Further there is a transition from theknown chemical elements to such nanostructures asgraphene, nanotubes, fullerenes.
Keywords: nanostructures, carbon structures, molecular designer, benzene, graphite, graphene
224
Современное школьное и высшее образование должно соответствовать новым требованиям, так как интенсивное развитие нанотехнологий, биотехнологий и других направлений техники предполагает подготовку специалистов с глубоким пониманием атомно-молекулярной структуры вещества [1, с. 5].
В этой работе мы предлагаем методическую разработку, позволяющую на примере определенным образом выбранного ряда объектов продемонстрировать зависимость свойств от структуры. Для сравнительного анализа взяты углеродные структуры: от молекулы бензола до кристалла графита. При этом важную роль в анализе играют промежуточные структуры, как молекулярные (нафталин, антрацен и т. д.),
так и новые наноструктуры (графен). Для наглядности и удобства в работе используются компьютерные модели рассматриваемых структур. Компьютерные модели сделаны специально для данной работы и, будучи очень простыми, вполне адекватны [2, с. 215].
Начнем наш путь с молекулы бензола. Это плоская кольцевая молекулярная структура, образованная шестью атомами углерода. К каждому атому углерода присоединено по одному атому водорода, которые лежат в той же плоскости, что и атомы углерода. Атомы углерода соединены друг с другом так называемыми сопряженными связями (зр2- гибридизация), которые раньше изображались чередованием одинарной и двойной связи, а позже (и правильней) стали изобра-
1г. гг'17" г. ^ 1г — -
Рис. 1. Схема электронной плотности молекулы бензола [3].
жать окружностью, вписанной в шестиугольную структуру молекулы, поскольку, как следует из квантово-меха-нических представлений, электронная плотность более-менее равномерно распределена по кольцу. Молекула бензола - очень симметричная структура. А облака -га-электронов над и под плоскостью молекулы в значительной степени определяют физические свойства этой молекулы. Схема электронной плотности для молекулы бензола представлена на рис. 1. Вещество бензол -это хорошо знакомая химикам жидкость с характерным запахом.
Как мы увидим, все последующие структуры нашего анализа будут «сделаны» из бензольных колец. Таким образом, молекула бензола является исходной структурной единицей, так сказать, «кирпичо»», соединяя эти «кирпичи», мы будем получать реальные молекулярные и наноструктуры вплоть до объемных кристаллов. Все это не имеет ничего общего с реальными химическими способами получения рассматриваемых веществ, но это не беда.
У нас скорее физический, можно сказать, «нанотехнологический» способ формирования молекулярных структур, который позволяет анализировать уже готовые структуры, искать сходства и различия, смотреть, как эти сходства и различия в конечном счете сказываются их свойствах.
Существует множество молекулярных структур, где молекулы бензола «соединены» друг с другом, а число бензольных колец растет. Два кольца дают нафталин, кристаллическое ве-
225
Рис. 2. Молекула антрацена
Рис. 3. Молекула фенантрена
щество с характерным запахом. Три кольца дают антрацен, если кольца выстроены в ряд (рис. 2), но возможны и другие структуры с тремя бензольными кольцами: фенантрен, например (рис. 3). Соответственно, мы имеем два разных вещества с разными химическими свойствами.
Четыре бензольных кольца в ряд дают тетрацен, есть и другие вещества с четырьмя бензольными кольцами, например, пирен, хризен. Пять колец
3 / 2013
Преподаватель XXI
ВЕК
226
Рис. 4. Молекула пентацена
в ряд дают пентацен (рис. 4) [4], зигзагообразное соединение бензольных колец (как у фенантрена) дает пицен (рис. 5) и т.д.
Мы видим, что перед нами своеобразный молекулярный конструктор: исходная деталь - шестиугольное бензольное кольцо, соединяя выбранное число таких деталей определенным
Рис. 5. Молекулярная и кристаллическая структура пицена
образом, мы получаем различные реально существующие молекулярные структуры. В данном случае мы игнорируем атомы водорода, наличие которых в рассматриваемых молекулах не мешает нашему анализу. Заметим очень важную особенность получаемых структур: все они существенно плоские. И они позволяют, меняя число и взаимное расположение колец, демонстрировать влияние структуры на свойства, поскольку физико-химические свойства таких молекул хорошо известны.
Сделаем маленькое отступление. Различные схематические изображения молекул, их представление в разного рода молекулярных конструкторах, соединение бензольных колец в нашем анализе - все это в той или иной степени дает представление о структуре конкретной молекулы, создает ееузнаваемый визуальный пор-
трет, позволяет выполнять определенные научные изыскания. Но всегда остается вопрос, насколько все эти представления молекул соответствуют структуре реальной молекулы? (Понятно, что рентгено-структурный анализ дает исчерпывающую информацию о молекулах, но его результаты не наглядны, их трудно использовать в школьной аудитории). До последнего времени фотографий молекул не существовало. В оптический микроскоп их не видно. Изображения в электронном микроскопе весьма специфичны. Но последние достижения в этом направлении позволили все-таки получить «фотографии» конкретных молекул. Так, на рис. 6 представлена фотография молекулы пентацена, полученная с помощью атомно-силового микроскопа. Поразительно, но фотография полностью подтверждает привычные представления о структуре этой молекулы.
Число бензольных колец можно увеличивать и дальше. В частности, шесть колец можно разместить по
I I I I I
Рис. 6. На полученной с помощью атомно-силового микроскопа «картинке» (вверху) можно увидеть пять углеродных колец гексагональной формы и разглядеть позиции атомов углерода и водорода. На иллюстрации
внизу модель той же молекулы: серые шарики - атомы углерода, белые - водорода (фото и иллюстрация IBM Research - Zurich)
окружности, получится короненс своеобразной системой сопряженных связей (по малому и по большому кольцам). При желании в структуре молекулы коронена можно увидеть и семь колец. Но давайте сделаем качественный рывок - пусть число соединяемых в одну структуру бензольных колец будет очень-очень много. Препятствий для выполнения такой процедуры не видно. Получится большая по площади, но понятным образом устроенная структура. Существует ли она в реальности? Существует! И называется гра-фен (рис. 7).
Это сравнительно недавно открытый, но очень перспективный, интенсивно изучаемый наноматериал. Его
Рис. 7. Схематическое изображение графена. Светлые шарики - атомы углерода, а стержни между ними - связи, удерживающие атомы в листе графена
свойства настолько необычные и многообещающие, что за его получение и изучение уже присуждена Нобелевская премия по физике и, что особенно важно, российским ученым (правда, работающим в Англии). В данной работе мы не имеем возможности подробно обсуждать графен. Отметим то, что касается нашего анализа. Взяв за исходный элемент бензольное кольцо, мы, присоединяя друг к другу эти кольца, получили разные молекулярные структуры, отличающиеся друг от друга прежде всего числом соединяе-
мых колец. А когда число колец стало очень большим, мы получили новую плоскую двумерную наноструктуру (толщина графенового слоя - это толщина одного атома углерода, а площадь может измеряться квадратными микронами).
Что можно сделать дальше? Увеличивать число соединяемых вместе бензольных колец до бесконечности не имеет смысла. Но можно от плоской двумерной структуры перейти к трехмерным, объемным объектам. Можно разместить два графеновых слоя один над другим, получится так называемый двухслойный графен, который начал интенсивно изучаться в самое последнее время, его свойства оказались весьма отличными от свойств однослойного графена. Известен и трехслойный графен.
Ну, а если число таких графено-вых слоев будет очень большим, то всякий узнает в такой структуре кристалл графита с его характерными свойствами (рис. 8).
Есть и другие интересные наноструктуры, родственные рассмотренным здесь. Так, графеновые плоскости можно свертывать в рулоны. Их них же можно формировать углеродные нано-трубки - тоже очень известные и перспективные наноструктуры (рис. 9).
Трубки эти могут быть и двойными и тройными. Наконец, в структуре фул-
227
Рис. 8. Схематическое изображение трех листов графена, находящихся друг над другом в графите
3 / 2013
Преподаватель XXI
ВЕК
Рис. 9. Структура углеродной нанотрубки. Двухслойная и трехслойная нанотрубки
леренов (рис. 10) есть много общего с рассматриваемыми нами объектами.
Мысленно можно попытаться из плоской графеновой пластинки сформировать сферу, при этом часть шестиугольных колец будет заменена на пятиугольные, но сохранятся сопря-
228 Рис- Ю- Молекула Фуллерена
женные связи между атомами углерода. И это уже будет фуллерен - тоже очень известная и интересная наноструктура. Однако анализ этих продвинутых структур выходит за рамки нашей работы.
Таким образом, в результате простой однотипной процедуры (соеди-
нения бензольных колец, а потом умножения графеновых слоев) мы проделали путь от простых молекулярных структур через двумерный на-номатериал к трехмерному кристаллу. На этом пути открываются широкие возможности проведения сравнительного анализа свойств близких структур. Такого сорта анализ мы считаем весьма интересным и поучительным для учащихся в аудитории.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гребенкин М.Ф., Лобова Л.П. Нанотехно-логии и школьное образование // Прикладная информатика.- 2008.- № 2.
2. Гребенкин М.Ф, Лобова Л.П. Молекулярное моделирование плоских углеродных структур от бензола до графена в образовательных целях // Преподаватель XXI век.- 2010.- № 3.
3. What are organic semiconductors? - URL: www.iapp.de/orgworld/?Basics:What_are_ organic_semiconductors
4. Ученые впервые запечатлели анатомию молекулы // Membrana: Люди, идеи, технологии. -URL: www.membrana.ru/particle /14065 ■
