Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής"

Οὐρβανός Μαρκόπουλος
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης

2 Άνθρακας και υβριδικά υλικά με βάση τον άνθρακα Graphite Diamond Fullerene Nanotube

3 Ηλεκτρονική διαμόρφωση του C, υβριδισμός και δεσμοί 2s 1 2p3 Βασική κατάσταση 6e - (1s 2 2s 2 2p 2 ) Διεγερμένη κατάσταση 6e - (1s 2 2s 1 2p 3 ) Ανάμιξη (υβριδισμός) των 2s 1 και 2p 3 ηλεκτρονιακών καταστάσεων για την δημιουργία τεσσάρων sp 3 υβριδικών καταστάσεων σε 3D. Οι λοβοί ηλεκτρονιακής πυκνότητας των καταστάσεων αυτών κατανέμονται στον χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ηλεκτροστατική άπωση, με αποτέλεσμα οι τέσσερις (4) sp 3 δεσμοί να σχηματίζουν στον χώρο ένα νοητό τετράεδρο με γωνίες 109.

Ηλεκτρονική διαμόρφωση του C, υβριδισμός και δεσμοί Ανάμιξη (υβριδισμός) των 2s 1 και 2p 2 καταστάσεων για την δημιουργία τριών sp 2 υβριδικών καταστάσεων σε 2D και μίας καθαρής 2p

Οι λοβοί ηλεκτρονιακής πυκνότητας των καταστάσεων αυτών κατανέμονται στον χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ηλεκτροστατική άπωση, με αποτέλεσμα να

4 Ηλεκτρονική διαμόρφωση του C, υβριδισμός και δεσμοί Ανάμιξη (υβριδισμός) των 2s 1 και 2p 2 καταστάσεων για την δημιουργία τριών sp 2 υβριδικών καταστάσεων σε 2D και μίας καθαρής 2p κατάστασης κάθετης στο επίπεδο των άλλων τριών sp 2 υβριδικών καταστάσεων. Οι λοβοί ηλεκτρονιακής πυκνότητας των καταστάσεων αυτών κατανέμονται στον χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ηλεκτροστατική άπωση, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται τρεις (3) sp 2 δεσμοί να σχηματίζουν στο επίπεδο γωνίες 120 (trigonal planar arrangement). π-δεσμός: πλευρική επικάλυψη p τροχιακών και δυνατότητα απεντοπισμού ηλεκτρονίων (electron delocalization) σ-δεσμός: άμεση, απ ευθείας επικάλυψη sp 2 υβριδικών τροχιακών (εντοπισμένα ηλεκτρόνια)

5 Ηλεκτρονική διαμόρφωση του C, υβριδισμός και δεσμοί Ανάμιξη (υβριδισμός) των 2s 1 και 2p 1 καταστάσεων για την δημιουργία δύο sp υβριδικών καταστάσεων σε 1D και δύο καθαρών 2p καταστάσεων κάθετων μεταξύ τους και στην διεύθυνση των άλλων δύο sp υβριδικών καταστάσεων. Οι λοβοί ηλεκτρονιακής πυκνότητας των καταστάσεων αυτών κατανέμονται στον χώρο με τέτοιο τρόπο ώστε να αποφεύγεται κατά το δυνατόν η ηλεκτροστατική άπωση, με αποτέλεσμα οι δύο sp δεσμοί να σχηματίζουν γωνία 180 (linear arrangement).

6 Αλλοτροπικές φάσεις του C Οι δύο πιο σταθερές κρυσταλλικές αλλοτροπικές φάσεις του C γνωστές έως το 1985 ήταν ο γραφίτης και το διαμάντι. Γραφίτης (graphite) Εξαγωνικός (α) Ρομβοεδρικός (β) Σρωματική δομή του εξαγωνικού (α) γραφίτη με τα γραφιτικά φύλλα (γραφένια) 335 pm a=2.456 Å, c=6.708 Å a=2.456 Å, c= Å Στα φύλλα γραφενίου υφίστανται ισχυροί σ-δεσμοί C-C από υβριδικές sp 2 καταστάσεις στο επίπεδο του γραφενίου αλλά και ασθενέστεροι π-δεσμοί. Δεσμοί Van der Waals κυριαρχούν μεταξύ των επιπέδων. Οι π-δεσμοί προσφέρουν την δυνατότητα απεντοπισμού των ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων C και μέσω αυτής τις αγώγιμες ιδιότητες στα γραφενικά επίπεδα.

7 Γραφίτης (graphite)

8 Διαμάντι (diamond) Αλλοτροπικές φάσεις του C Κυβικό Εξαγωνικό (1967 μετεωριτικά δείγματα-lonsdaleite)

9 Σύγκριση διαφόρων φυσικών ιδιοτήτων του γραφίτη και του διαμαντιού

Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Μαύρο του άνθρακα (carbon black) Αλλοτροπικές φάσεις του C Συλλογές κομματιών γραφιτικών φύλλων σε ημι-άμορφη δομή και διάφορες διαμορφώσεις των φύλλων μεταξύ τους.

10 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Μαύρο του άνθρακα (carbon black) Αλλοτροπικές φάσεις του C Συλλογές κομματιών γραφιτικών φύλλων σε ημι-άμορφη δομή και διάφορες διαμορφώσεις των φύλλων μεταξύ τους. Μεγέθη μεταξύ 20 και 300 nm. Τα κέντρα των σφαιρικών αυτών νανοσωματιδίων έχουν κρυσταλλική δομή γραφίτη σε έκταση περίπου 3 nm. Παρουσιάζουν υψηλή τιμή ειδικής επιφάνειας (από 100 έως 1000 m 2 /g) και εξαιρετικά μικρή πυκνότητα (1.85 g/cm 3 ).

11 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Αλλοτροπικές φάσεις του C Ίνες άνθρακα (ανθρακονήματα-carbon fibers) Προκύπτουν από την θερμική επεξεργασία οργανικών μορίων (π.χ. polyacrylonitrile/pan) και έχουν γραφιτική δομή συνδυάζοντας φύλλα γραφενίων τα οποία εκτείνονται παράλληλα μεταξύ τους και κατά μήκος του άξονα των ινών.

12 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Υαλώδης άνθρακας (glassy carbon) Αλλοτροπικές φάσεις του C Το υλικό αυτό περιέχει γραφιτικές δομές μικρής εμβέλειας σε μορφή λωρίδων τις οποίες σχηματίζουν άτομα άνθρακα συνδεόμενα με υβριδικούς δεσμούς sp 2 καταστάσεων. Το υλικό αυτό δεν έχει κρυσταλλική δομή μεγάλης εμβέλειας αλλά είναι εξαιρετικά ομογενές λόγω της περιέλιξης των λωρίδων στην δομή του και παρουσιάζει συμπαγείς και σταθερές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Έχει εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα (1.5 g/cm 3 ).

13 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Άμορφος άνθρακας (amorphous carbon) Αλλοτροπικές φάσεις του C

14 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Αλλοτροπικές φάσεις του C Φουλλερένια (fullerens or buckminsterfullerens)

15 American architect Richard Buckminster Fuller ( ) Φουλλερένια (fullerens or buckminsterfullerens) 1985 H. Kroto, J.R. Heath, S. O'Brien, R. Curl and R. Smalley

16 Φουλλερένια (fullerens or buckminsterfullerens)

17 Φουλλερένια (fullerens or buckminsterfullerens) Πολυμερισμός των φουλλερενίων

18 Φουλλερένια (fullerens or buckminsterfullerens) Συνδυασμός πολυμερικών υλικών και των φουλλερενίων

19 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Αλλοτροπικές φάσεις του C Νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes) 1991 Sumio Iijima Νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (single-wall carbon nanotubes SWCNTs) 0.5 έως 5 nm ~ μm έως ~cm Νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (multi-wall carbon nanotubes MWCNTs)

20 Νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes) Τρόποι διαμόρφωσης του πλέγματος των νανοσωλήνων: (a) Κατοπτρικός (b) Πολυθρόνας (c) Ζικ-ζακ

21 Νέες αλλοτροπικές φάσεις του C. Γραφένιο (graphehe) Αλλοτροπικές φάσεις του C

22 Υβριδικά υλικά με βάση τον άνθρακα MWCNTs & FePt NPs (decorated) MWCNTs & γ-fe 2 Ο 3 NPs (decorated)

23 Υβριδικά υλικά με βάση τον άνθρακα MWCNTs & β-sn (encapsulated) Nanodiamonds & FePt or FeCu NPs (supported)

Σχετικά έγγραφα

Συσχέτιση. Δομής(structure) Ιδιοτήτων(properties) κατεργασίας(processing) ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΟΜΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΥΛΙΚΩΝ- ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Συσχέτιση. Δομής(structure) Ιδιοτήτων(properties) κατεργασίας(processing) ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΟΜΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΥΛΙΚΩΝ- ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Συσχέτιση Δομής(structure) Ιδιοτήτων(properties) κατεργασίας(processing) ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΥΛΙΚΩΝ- ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΟΜΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ Ορολογία σχετική με τη δομή που θα συναντήσουμε