Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.abitu.ru/en2002/closed/viewwork.html?work=203 Дата изменения: Fri May 5 15:25:16 2006 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:34:57 2012 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: раствор

Изучение свойств новых углеродных материалов.





Авторы:
Синюков Дмитрий
Александрович

г. Челябинск, школа ?37, 11а класс,
dsinukov@yandex.ru

Гусев Андрей
Алексеевич

г. Челябинск, школа ?37, 11а класс,

andrew0703@yandex.ru



Научный руководитель:

Песин Л.А.,

профессор, доктор физико-
математических наук,
заведующий кафедрой
общей и теоретической физики.
(Челябинский
государственный

педагогический университет).





Введение.


В 1960 году советскими химиками Кудрявцевым Ю.П., Сладковым А.М.,
Касаточкиным В.И. и Коршаком В.В. были проведены эксперименты, в
результате которых было установлено неизвестное ранее явление существования
новой кристаллической формы углерода-карбина, характеризующейся, в отличие
от алмаза и графита цепочным строением своих макромолекул. (За что они
получили в 1971г. премию) [1].
Целью же нашей работы является изучение некоторых физических свойств
новых углеродных материалов. Надо сказать, что в своей работе мы изучали не
сам карбин, а вещества, сходные с ним существованием в них тройных и
двойных С-С связей. (Наличие этих связей свидетельствует о том, что в
некоторых участках молекулы этого вещества имеют линейную структуру). В
прошлом году нашей целью было изучение поглощения данными материалами
электромагнитных волн в инфракрасном диапазоне. Одной из важных сторон
наших исследований было установление того, насколько близки полученные
образцы к карбину, то есть насколько хорош метод их получения. В этом
году мы решили создать свои образцы (будем называть их образцами 2-ой
группы) и изучить их свойства, в частности изменение произведения толщины
образца на коэффициент преломления от времени выдержки их в растворе.



Химический метод получения карбина.


В прошлом году мы исследовали образцы, полученные в Германии С.E.
Евсюковым, работающим в фирме BASF. Химический метод получения,
используемый Евсюковым, применялся и ранее, но его новизна заключается в
использовании в качестве исходного материала нового вещества -
поливинилиденфторида (ПВДФ). Пленка ПВДФ погружалась в специальный
раствор, состоящий из ацетона (45 частей), спирта (4 части) и гидроксида
калия (1 часть по объему) и выдерживалась там определенное время.
Недостатками химического метода являются образование так называемых
«сшивок» и присоединение этоксилатного аниона, о чем будет рассказано
ниже.
В нашей работе все образцы пронумерованы так, что номер образца зависит
от времени выдержки его в растворе (чем больше время выдержки, тем больше
номер образца). Образцы, исследуемые нами в прошлом году, пронумерованы от
1 до 9, в этом году мы нумеровали свои образцы от 10 до 14, исходная
плёнка получила номер 0.

Так как целью нашей работы является изучение поглощения образцами
электромагнитных волн, то нам необходимо было получать графики зависимости
этого поглощения от обратной длины волны, которые мы называем спектрами.
Эти спектры мы получали на аппарате SPECORD. О его устройстве хотелось бы
рассказать отдельно.



Прибор.


Сначала луч света (1) (см. рис. 1) от нагревательной лампы попадает на
призму (2) из бромида калия. С другой стороны от призмы образуется
инфракрасный спектр. Но так как там установлена перегородка с отверстием
(3), то луч (4), выходящий из этого отверстия, будет монохроматическим.
Дальше этот луч, проходя через полупрозрачное стекло, раздваивается на два
луча. Первый из них проходит через образец (8) и попадает на термопару.
Второй луч, проходя через диафрагму (6), минует специально изготовленную из
плотной бумаги диафрагму с переменной шириной окошка и, также как и первый
луч, попадает на термопару. Обе термопары подключены параллельно к
электрической схеме. В зависимости от того, какой знак имеет разность
потенциалов, происходит изменение размеров отверстия диафрагмы (6). Это
делается за счет того, что электрический ток идёт от электрической схемы
на двигатель, который приводит в действие диафрагму. Диафрагма соединена
тросиком с самописцем. Если луч I интенсивнее луча II, то диафрагма
уменьшается до тех пор, пока интенсивности не сравняются. Для ясности
изображаемого, можно сравнить диафрагму со зрачком глаза. В связи с тем,
что самописец напрямик подсоединён к диафрагме, а следовательно и высота
пика на графике находится в линейной зависимости от радиуса отверстия, то
интенсивность поглощения нужно находить по площади пика, а не по его
высоте.


Использование прибора SPECORD.


В первое окно мы вставляли образец, во второе - специально изготовленную
диафрагму (6), далее самописец вычерчивает график. Потом вместо образца
вставляется эталон. В качестве эталона мы использовали полиэтилен, и при
той же ширине окна прописывали спектр эталона в интервале от 3200 до 2800
см.-1 .
Спектр эталона снимается для того, чтобы уравнять графики по
интенсивности. Дело в том, что размер окошка специально изготовленной
диафрагмы для каждого графика свой, потому что, если оставлять ширину
окошка постоянной, то не все спектры умещаются на листе бумаги. И с
помощью высоты пика на спектре эталона можно определить, во сколько раз
растянут график. Этот метод называется методом Эталонирования. Он был
придуман и впервые применён Песиным Леонидом Абрамовичем и Сёмочкиным
Павлом Сергеевичем. Раньше для того, чтобы провести количественный анализ
интенсивности поглощения, необходимо было сравнить вещества точно в
одинаковом количестве, чтобы это сделать, нужно было измельчать вещества в
порошок, затем брать точно одинаковое их количество и спрессовывать в
таблетки с бромидом калия. Эта технология очень сложная и дорогостоящая.
Поэтому техника Эталонирования очень перспективна в области спектроскопии.


Обработка спектров.


На данный момент нами проведена численная обработка спектров только
образцов, полученных С.Е. Евсюковым.
Чтобы начать сопоставление графиков, необходимо было пронормировать все
спектры по эталону, то есть воспользоваться методом Эталонирования. Для
этого нужно было рассчитать высоту пика в пикселях в программе Paint. Затем
мы нашли коэффициенты растяжения спектров. Для того, чтобы обрабатывать
спектры на компьютере мы их отсканировали и оцифровали программой Digit.
Затем в программе Elsdf, созданной в институте физики металлов УрОРАН (г.
Екатеринбург) Игорем Васильевичем Грибовым, умножили эти спектры на
полученные коэффициенты, то есть пронормировали их по интенсивности.


Анализ формы спектров образцов, полученных С.Е. Евсюковым.


1) Пик при 1600 - 1650 см-1 увеличивается в зависимости от номера
образца: чем больше номер, тем больше пик. И так как этот пик отвечает за
поглощение электромагнитных волн в данном диапазоне, а поглощение здесь
осуществляют двойные углерод - углеродные связи, то по его величине можно
судить о количестве этих связей. Однако количество этих связей
увеличивается неравномерно, как видно в таблице 1. Иногда количество С=С
связей даже уменьшается. Это происходит за счёт того, что, во-первых,
некоторые С=С связи переходят в тройные С?С связи, а во-вторых, другие
связи исчезают за счёт образования «сшивок»(см.рис.3).

2) Следующей особенностью образцов является появление и
постепенное увеличение пика при обратной длине волны 2100 см-
1. Нужно отметить, что у образцов до пятого номера данный пик почти
отсутствует и становится отчётливо виден у образцов, начиная с седьмого.
Этот пик отвечает за колебания тройных C?C связей; по его величине можно
судить о количестве данных связей в образце.
Увеличение числа двойных и тройных связей весьма благоприятно, что
показывает приближение наших образцов к идеальному линейному углероду
3) На графике хорошо видно, что высота пика при частоте приблизительно
3000 см-1 в среднем уменьшается. Но уменьшение происходит неравномерно. В
некоторых образцах (4 , 8) этот пик даже несколько увеличивается. Это
происходит из-за того, что количество С-Н связей может, как увеличиваться,
так и уменьшаться, но наблюдается общая тенденция к уменьшению.
Постепенное уменьшение пика свидетельствует о том, что данный способ
отщепления водорода действует.
Если рассмотреть график внимательно, можно заметить, что этот пик
двойной, причём, левая часть отвечает за количество С-Н связей в
этоксилатном анионе. Вместо отсоединяющегося от образца водорода может
присоединиться этоксилатный анион. Его структурную формулу вы увидите на
рисунке 2. Таким образом, вместо одной С-Н связи может появиться четыре,
это отрицательно сказывается на качестве получаемого карбина. Это один из
недостатков химического метода.
Правый пик отвечает за С-Н связи в так называемых «сшивках»
(см. рис 3). «Сшивки» появляются, когда углерод из одной цепочки
присоединяется к другой цепочке, как видно на рисунке. Кроме того, может
ещё присоединиться углерод из

третьей цепочки. Сшивки также являются недостатком химического метода,
так как в местах соединения может присоединиться водород.
Существование у четырёхвалентного углерода тройных связей положительный
момент наших исследований, так как тройные связи - характерная черта альфа
- карбина.
4) И всё-таки одной из самых важных черт является то, что с
увеличением номера образца уменьшается ширина окна прозрачности. На спектре
первого образца мы видим почти горизонтальную линию от 1850 до 2850 см-1.
На спектре второго образца линию можно считать горизонтальной от 1850 до
2500 обратных см. На спектре третьего образца линия прозрачности становится
ещё меньше (1850-2400). Аналогичная тенденция наблюдается и далее вплоть до
19образца, у которого окно прозрачности представляет собой почти точку.
Описанное выше явление представляет собой большой практический интерес, так
как с помощью данных образцов можно осуществлять отсеивание инфракрасных
лучей определённого диапазона, то есть появляется возможность создания
инфракрасных фильтров различной чувствительности и избираемости.
5)Другие особенности графиков не представляют большого практического
интереса, поэтому мы далее перечислим их в назывном порядке:
а) Пик при частоте 3300 обратных см, который отвечает за колебание О-
Н связей,
б) пик при частоте 2300 , показывающий количество колебаний СО2
в) «ступенька» при 1800 - С-О.



|? |Время |Толщина, |Ширина окна |Кол-во |Кол-во |Высота |Кол-во |
|обра|нахожден|у.е. |прозрачности |тройных |двойных |О-Н |С-Н |
|зца |ия в | |(при Ѕ |C?C | |связей |связей, |
| |растворе| |поглощении), |связей |C=C | |х109 у.|
| |, мин. | |см?№ |(высота)|связей, | |е. |
| | | | |, у. е. |х109 у.| | |
| | | | | |е. | | |
|1 |1 |10 |1305 |- |17,28 |507 |11,37 |
|2 |5 |7,5 |1185 |- |33,53 |1531 |6,98 |
|3 |10 |8,1 |1045 |- |45,32 |3090 |4,85 |
|4 |20 |11 |1085 |- |39,64 |2590 |6,27 |
|5 |30 |4,85 |1010 |- |37,44 |3097 |5,23 |
|6 |120 |- |790 |98 |28,15 |2591 |1,30 |
|7 |240 |12 |835 |165 |36,94 |3318 |2,83 |
|8 |565 |9,5 |670 |173 |28,76 |2691 |1,05 |
|9 |995 |13 |500 |89 |17,95 |1752 |0,37 |


Таблица ?1.Сравнительная характеристика образцов изготовленных С.Е.
Евсюковым.




Изготовление образцов 2-ой группы.


Решив продолжать наши исследования, мы собственноручно изготовили
образцы. Технология получения была основана на способе С.Е. Евсюкова. Но
для того, чтобы дальше развивать наше исследование, мы значительно
увеличили время выдержки в растворе (табл.?2). Состав раствора мы оставили
прежним, (45 частей ацетона, 4 части спирта и 1 часть гидроксида калия)
однако изготовили его сами.
Сначала мы погрузили все образцы поливинилиденфторида в раствор. Затем
через каждые сутки мы доставали по 2 пленки для того, чтобы в последствии
определить точность наши исследований. Чтобы очистить образцы от раствора,
мы промывали и в ацетоне и выдерживали сутки в спирте, после чего промывали
водой. Спектры образцов мы получили на приборе SPECORD.
При получении спектров нами было обнаружено интересное явление
поведения графика в области высокой прозрачности. На графиках хорошо
заметны периодические колебания интенсивности поглощения с малой
амплитудой. Мы сделали вывод, что эти колебания - явление интерференции.
Интерференция возникла в результате того, что луч, попав в образец,
проходит сквозь него не полностью. Частично отражаясь от его внутренних
границ, луч, уже слабой интенсивности, выходит параллельно главному. Так
как угол преломления в образце очень мал, то фактически получается, что
лучи совпадают. В результате совпадения двух лучей одинаковой частоты, но с
разной начальной фазой, возникает интерференция (см. рис. 6). Благодаря
этому явлению, мы смогли определить произведение коэффициента прозрачности
на толщину образца.




Уравнение интерференции.

Известно, что 2•d•n = k•?, где d - толщина образца, n - коэффициент
преломления, k- номер пика интерференции, ? - длина волны. В связи с тем,
что мы не знаем номера пика от начала, то приведенным выше уравнением,
напрямик воспользоваться нельзя. Однако, если рассмотреть 2 пика на
графике, то можно составить систему уравнений с двумя неизвестными:[pic]
2dn = k1?1 , [pic]
2dn = ( k1 + a)?2 ;
где ?1 и ?2 - значения длины волны для данных пиков. Их мы определяли
по графику, зная начальное и конечное значения длины волны и соотношение
расстояний от пика до одного из краев к длине всего графика. a - это
разность между номерами пиков, которую можно определить непосредственным
подсчетом (см. рис. 5). Для получения более точного результата мы для
каждого образца составляли и решали несколько систем и находили среднее
значение. Так как подобные вычисления представляют собой несложную, но
однообразную работу, нами была написана программа, которая и производит
необходимые расчеты. Результаты вычислений помещены в таблице ?2.


|Образец |Время нахождения в |К1 |dn, 10-6 м |
| |растворе, сут. | | |
|0 |0 |16 |48.88 |
|10 а |1 |16 |41.76 |
|10 б |1 |16 |44.025 |
|11 а |2 |16 |43.77 |
|11 б |2 |16 |44.09 |
|12 а |4 |16 |42.674 |
|12 б |4 |16 |44.237 |
|13 а |5 |16 |41.82 |
|13 б |5 |16 |41.82 |
|14 а |6 |16 |42.438 |
|14 б |6 |16 |43.043 |


Таблица ?2.Сравнительная характеристика образцов, изготовленных нами.


Анализ образцов 2-ой группы.



Из таблицы видно, что dn сильно уменьшается в первые часы нахождения
образца в растворе, потом эта величина может как увеличиваться, так и
уменьшаться, причем на незначительную величину. Это связано с уменьшением
толщины либо коэффициента преломления. В дальнейшем мы намерены определить
толщину образцов для того, чтобы выявить изменение коэффициента
преломления. Также видно, что коэффициент k у всех образцов остается
неизменным и равным 16, то есть у каждой пленки окно прозрачности
начинается примерно при одной и той же длине волны.



Вывод.


Наши исследования показали, как меняется форма спектра в зависимости от
времени выдержки вещества в растворе. Некоторые особенности в форме
спектров открывают дорогу возможности практического применения образцов
(например, в качестве инфракрасных фильтров). Кроме того, наши научные
изыскания подтвердили, что в целом химический метод получения карбина
оправдывает себя, хотя имеются некоторые погрешности, отрицательно
сказывающиеся на чистоте вещества. Что касается наших образцов, то в
дальнейшем мы намерены сравнить их спектры со спектрами от образцов
Евсюкова и выяснить, насколько похожи эти образцы на карбин. Так же одной
из сторон наших исследований будет являться изучение влияния солнечного
света на образцы.

Список используемой литературы.


1) "Carbyne and carbynoid structures", ed. Heimann R.B. , Kavan L. ,
Evsyukov S.E. Dortdrecht, 1999.
2) «Физика углеродных материалов» Шулепов С.В. - Челябинск: Металлургия,
Челябинское отделение, 1990.- 336с.
3) «An introduction to the meaning and structure of physics» Leon N.
Cooper. New York, Evanston, London, 1970.
-----------------------
[pic]

[pic]



[pic]

[pic]

рис. 4
Графики образцов С.Е. Евсюкова
Номер линии на рисунке обозначает номер образца

[pic]

[pic]