WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 5 Синтез и исследование железо-фуллереновых кластеров © Н.В. Булина, Э.А. Петраковская, А.В. Марачевский, И.С. Литяева, И.В. Осипова, Г.А. Глущенко, W. Krtschmer, Г.Н. Чурилов Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия Красноярский государственный технический университет, 660074 Красноярск, Россия Институт ядерной физики им. Макса-Планка, D-69029 Гейдельберг, Германия E-mail: churilov@iph.krasn.ru (Поступила в Редакцию 25 августа 2005 г.) Приведены результаты плазмохимического синтеза и исследования методом электронного магнитного резонанса железо-фуллереновых кластеров. Показано, что такие кластеры можно получать как при плазменном синтезе фуллеренов с железом, так при смешивании раствора фуллеренов и порошка наночастиц железа, покрытых углеродной оболочкой. Приведена методика разделения железо-фуллереновых кластеров методом жидкостной хроматографии.

Работа выполнена при частичной поддержке фондов INTAS (проект N 01-2399), РФФИ (проект № 03-03-32326) и Министерства образования и науки (программа „Развитие научного потенциала высшей школы“), а также поддержана Советом по грантам Президента РФ.

PACS: 61.48.+c, 76.30.Mi Наноразмерные и наноструктурные материалы обла- зуемость молекулы. Это должно приводить к возникдают уникальными механическими, физическими и хи- новению Ван-дер-ваальсова взаимодействия как между мическими свойствами [1,2]. Трудно переоценить их зна- самии фулеренами, так и между фуллеренами и другими чение в области высоких технологий. С ними связывают кластерами или молекулами. Мы использовали это свойрешение актуальных задач в области электронной про- ство фуллеренов для выделения и разделения кластеров мышленности, энергетики, авиационной промышленно- железа.

сти, машиностроения, химии, биологии и медицины. [3].

Однако решение прикладных задач напрямую зависит от 1. Экспериментальная часть уровня фундаментальных знаний. Имеющегося экспериментального материала по наноразмерным материалам Для проведения сравнительного анализа был получен не достаточно не только для построения теории, но ряд образцов фуллеренов с железом, в коротых реакция и для выработки основополагающих концепций. Даже происоединения проводилось плазмохимическим метотерминологию в области описания наноразмерных матедом (метод А) и простым смешиванием двух компонент риалов нельзя считать устоявшейся. Одни исследователи (метод Б).

предпочитают использовать термин наночастицы [4], (Ful + Fe)A. Порошок железа распылялся в фуллередругие кластеры [5]. В настоящей работе будем придерновой дуге переменного ВЧ тока (44 kHz) при атмосферживаться термина „кластеры“, так как считаем, что он ном давлении [8]. Разряд осуществлялся между внешним применим к частицам малого размера (менее 102 nm), электродом, выполненным в виде графитовой втулки, и формирующихся при синтезе, а не при измельчении внутренним — в виде графитового стержня с осевым массивных объектов.

отверстием, заполненным порошком карбонильного жеОдин из основных вопросов связан с зависимостью леза марки ОСЧ (размер частиц до 70 µm). Испаренный свойств кластеров от их размера. Как правило, трудность углерод и железо кондерсировались на стенках камеры в состоит в процессе выделения моноразмерных кластевиде фуллереносодержащего сажевого конденсата, которов и еще большая трудность — в из стабилизации [2,6].

рый собирался и заливался бензолом с целью выделения Проводя синтез фуллереновых производных с металфуллереновой смеси. Фильтрация проводилась через лами, мы неоднократно замечали, что кроме фуллеренов бумажный фильтр марки ФС-III. Далее растворитель экстрагируются и металлические частицы. Как показали выпаривался при нормальных условиях до образования исследования, проведенные методом электронной ми- порошка — образец (Ful + Fe)A.

кроскопии, эти частицы покрыты непроводящей углерод- (C60 + Fe)A, (C70 + Fe)A и (HFul + Fe)A. Методом ной оболочкой [7].

жидкостной колоночной хроматографии на сорбенте Фуллерены имеют сравнительно большие размеры для хроматографии Al2O3 LSL2545/40, частицы которомолекул (0.7-1nm) и общую -систему большого ко- го покрыты слоем углерода при плазменной обработличества электронов, определяющих высокую поляри- ке [9], образец (Ful + Fe)A разделен на три фракции.

Синтез и исследование железо-фуллереновых кластеров Элюирование первой фракции (образец (C60 + Fe)A) велось 50% смесью бензола и n-гексана, второй (образец (C70 + Fe)A) и третьей фракций (образец (HFul + Fe)4) — бензолом. Из полученных растворов растворитель выпаривался при нормальных условиях.

(Ful + Fe)B. Распыление углеродного графитового стержня, осевое отверстие которого заполнено порошком карбонильного железа, проведено в условиях, когда фуллерены не образуются даже в незначительных количествах. Использовался дуговой разряд килогерцового диапазона частот в потоке гелия между центральным электродом — графитовым стержнем и внешним электродом — индуктором [10]. Полученный таким образом порошок углерода и железа заливался растворенными в бензоле чистыми фуллеренами, не содержащими каких-либо металлов. Раствор тщательно перемешивался, фильтровался и выпаривался.

(C60 + Fe)B и (C70 + Fe)B. Образцы получались по той же методике, что и (Ful + Fe)B, только вместо фуллереновой смеси использовались фуллерены C60 (99.98%) и C70 (99.5%) соответственно.

Структура и состав образцов исследовались методами порошковой рентгеновской дифракции (диРис. 1. Спектры магнитного резонанса в X-диапазоне для фулфрактомер ДРОН-4), электронного магнитного резолеренов с железом, полученных методом А: 1 — (Ful + Fe)A, нанса (ЭМР) (спектрометр SE/X-2544 и РЭ1308), 2 — (C60 + Fe)A, 3 — (C70 + Fe)A, 4 — (HFul + Fe)A.

спектрального флуоресцентного анализа (спектрометр СПАРК-1), электронной спектроскопии (спектрофотометр Uvikon 943, диапазон 200-700 nm) и масс-спектроскопии (времяпролетный масс-спектрометр Bruker го разделения (C60 + Fe)A, (C70 + Fe)A и (HFul + Fe)A BIFLEX).

зарегистрированы узкая линия фуллеренового радикала g = 2.001 [11] и линии кластеров оксида железа и изолированных кластеров железа (рис. 1, таблица). Вспектрах 2. Результаты и обсуждение образцов, полученных в процессе хроматографии, отчетливо просматривается разделение различных кластеров, 2.1. М е т о д А. Исследования, проведеные методом присутствовавших в исходном веществе (Ful + Fe)A.

порошковой рентгеновской дифракции, показывают, что в саже, собранной со стенок камеры при распылении по- Индивидуальные фуллереновые компоненты содержат разные наночастицы, размер которых составляет не рошка железа в фуллереновой дуге, присутствует 10% ОЦК железа с размером кристаллитов менее 1 µm. При более 10 nm. В (C70 + Fe)A зарегистрирован только один анализе методом электронной микроскопии зарегистри- тип кластеров, который также наблюдается в (C60 + Fe)A рованы частицы сажи с вкрапленными в них металличе- (см. таблицу). В ЭМР спектре образца (HFul + Fe)A кими частицами, которые имеют средний размер 10 nm. присутствует широкая линия от кластеров значительно В образце (Ful + Fe)A методом спектрального флуо- большего размера (10-50 nm).

ресцентного анализа установлено присутствие 0.12% же- Предполагаем, что во всех исследованных образцах леза. В масс-спектре образца какие-либо фуллереновые содержатся кластеры типа nCx · mFeyOz, где n > 1;

производные не зарегистрированы.

m > 1; x > 60; y = 1, 2, 3; z = 0, 3, 4. Молекулы фуллеМетодом ЭМР как в исходной смеси фуллеренов рена, вероятнее всего, соединены с кластерами оксида (Ful + Fe)A, так и в компонентах хроматографическожелеза и чистого железа Ван-дер-ваальсовыми силами, так как в электронных спектрах смещения или появления новых полос поглощения не зарегистрировано.

Параметры линий ЭМР в образцах, полученных методом А В спектрах наблюдается зависимость интенсивности Эффективный Ширина линии радикала от интенсивности линий ЭМР, относяОбразцы g-фактор линии H, mT щихся к кластерам: чем больше содержание железа, тем меньше интенсивность радикала. Это свидетельствует в (Ful + Fe)A 2.4; 2.24; 2.1 83; 26; пользу того, что магнитная связь между атомами железа (C60 + Fe)A 2.24; 2.10 26; (C70 + Fe)A 2.24 26 реализуется через молекулу фуллерена, что также отме(HFul + Fe)A 2.40 чалось авторами [12].

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 954 Н.В. Булина, Э.А. Петраковская, А.В. Марачевский, И.С. Литяева, И.В. Осипова, Г.А. Глущенко...

Впервые показано, что при хроматографическом разделении фуллереновой смеси, содержащей кластеры железа, возможно выделение индивидуальных фуллеренов, содержащих определенный тип кластеров.

В дальнейшем планируется провести более детальное исследование полученных веществ с целью определения структуры полученных соединений и их стабильности.

Список литературы [1] Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М.К. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса. Пер с англ. Мир, М. (2002). 292 с.

[2] В.Д. Лахно. Кластеры в физике, химии, биологии.

НИЦ „Регулярная и хаотическая динамика“, Ижевск (2001). 256 с.

[3] А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. Физика низкоразмерных систем. Наука, СПб. (2001). 160 с.

[4] K.J. Klabunde. Free Atoms, Clusters and Nanosizes Particles.

Academic Press, San Diego (1994). 311 p.

[5] U. Kreibig. Z. Phys. D.: Atoms, Molecules and Clusters 3, Рис. 2. Спектры магнитного резонанса в Q-диапазоне для фул239 (1986).

леренов с железом, полученных методом Б: 1 — (Ful + Fe)B, [6] Г.Б. Сергеев. Нанохимия. Изд-во МГУ, М. (2003). 288 с.

2 — (C60 + Fe)B, 3 — (C70 + Fe)B.

[7] G.N. Churilov, E.A. Petrakovskaya, N.V. Bulina, S.G. Ovchinnikov, A.P. Puzyr’. Mol. Mat. 13, 1–4, 105 (2000).

[8] Г.Н. Чурилов. ПТЭ 1, 5 (2000).

[9] G.N. Churilov, E.A. Petrakovskaya, N.V. Bulina, A.V. Mara2.1. М е т о д Б. Железо-углеродный порошок, полученchevsky, S.A. Gryaznova, N.G. Vnukova, P.V. Novikov. Int.

ный при распылении карбонильного железа в углеродноsymp. on carbon of catalysis. Lausanne (2004). P. 181.

гелиевой плазме, не содержит фракции, растворимой [10] Д.П. Сыченко, Н.Г. Внукова, В.А. Лопатин, Г.А. Глущенко, в бензоле. Однако при смешивании этого порошка с А.В. Марачевский, Г.Н. Чурилов. ПТЭ 3, 1 (2004).

чистой фуллереновой смесью в бензольный раствор [11] S. Kukolish, D. Huffman. Chem. Phys. Lett. 182, 263 (1991).

кроме фуллеренов переходит и железо: фуллереновый [12] E. Zybov, P. Byszewski, V. Chabanenko, E. Kowalska, экстракт содержит 0.1% Fe (образец (Ful + Fe)B). L. Gladczuk, R. Kochkanjan. J. Magn. Magn. Mater. 222, 1–2, 89 (2000).

В ЭМР спектрах образцов (Ful + Fe)B, (C60 + Fe)B и (C70 + Fe)B так же, как и в случае метода А, кроме узкой линии фуллеренового радикала присутствуют линии, показывающие наличие кластерных образований, связанных с железом (рис. 2).

Объединение фуллеренов и исходного порошка карбонильного железа не приводит к подобным результатам.

Фуллереновый экстракт в этом случае не содержит железо. Данный факт указывает на то, что присоединение фуллеренов к кластерам железа происходит за счет наличия у них углеродной оболочки.

3. Выводы Проведеные исследования показали, что в бензольном растворе фуллерены и наночастицы железа, покрытые углеродом, образуют кластеры типа nCx · mFeyOz, где n > 1; m > 1; x > 60; y = 1, 2, 3; z = 0, 3, 4. Размер кластеров составляет 1-102 nm. Такие наноструктуры образуются как при плазмохимической реакции присоединения железа с фуллереном, так и при простом смешивании двух компонент: раствора фуллеренов и порошка наночастиц железа, покрытых углеродной оболочкой.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.