Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли»

Лекционный курс «Физические основы нанотехнологий и их применение в нефтегазовой отрасли»

• Часть 2. НАНООБЪЕКТЫ ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ
• И СПОСОБЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ
• Тема НАНОУГЛЕРОД

• Ранее известные
• аллотропные модификации углерода –
• графит и алмаз

• КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ
• ГРАФИТА И АЛМАЗА

• НАНОУГЛЕРОД

• Диамондоиды, фуллерены, графены,
• нанотрубки, наноалмазы

• Природные
• ДИАМОНДОИДЫ
• ( каркасные углеводороды )
• обнаружены
• в нефтях Чехии в 1933 г.

• Простейшая структура (C10H16) - адамантан (от древнегреческого наименования алмаза - αδαμας ).

• 1 – адамантан, 2 – диамантан,
• 3 – триамантан, 4 - тетрамантаны

• Области применения ДИАМОНДОИДОВ :
• - антивирусные лекарственные препараты,
• - улучшенные ракетные топлива,
• - эффективные взрывчатые вещества,
• - устройства микроэлектроники
• - …………..

• ДИАМОНДОИДЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

• Фактически все производители мониторов в Японии,
• а также фирмы США в настоящее время работают над
• созданием дисплеев с полевой эмиссией
• (field emission display - FED) - ярких плоских экранов,
• занимающих промежуточное положение
• (в том числе и по цене) между обычными экранами
• на ЭЛТ и ЖК-панелями.

• ДИАМОНДОИДЫ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

• В последние годы обнаружено, что
• эффективными наноэмиттерами
• электронов в FED дисплеях могут быть
• монослои молекул диамондоидов

• В 2003 г.
• организовано коммерческое
• предприятие по выделению
• ДИАМОНДОИДОВ
• из сырых нефтей
• Chevron Texaco (США)

• Содержание диамондоидов в природных нефтях - 50-500 микрограмм на грамм нефти
• (до 2000 микрограмм на грамм)

• Стоимость искусственного химического синтеза диамондоидов - до сотен долларов за грамм

• Природные
• НАНОАЛМАЗЫ

• Наноалмазы во фракции
• асфальтенов мексиканской
• природной нефти

• Energy & Fuels 2004, 18, 390-395

• НАНОАЛМАЗЫ

• Строение частицы
• наноалмаза
• (фото с сайта 
• http://abba.com.tw)

• Детонационные
• наноалмазы

• ( 200 Å = 20 нм )

• Схемы электростатического
• удерживания
• молекул лекарства
• частицами наноалмаза

• Взаимодействие модифицированных частиц
• наноалмаза (зеленые)
• с раковыми клетками мыши (коричневые).
• (Изображение в флуоресцентном микроскопе)

• НАНОАЛМАЗЫ в лечении рака

• Более 500 лет назад Леонардо да Винчи (1452-1519)
• иллюстрировал книгу своего современника,
• францисканского монаха и математика
• Луки Пачоли (1445-1514)
• «Божественная пропорция» («De Devina Proportione»),
• изданную в 1509 г. Одна из иллюстраций – изображение
• усеченного икосаэдра, символа водной стихии.

• ФУЛЛЕРЕН

• ФУЛЛЕРЕН
• обнаружен осенью 1985 г.

• 1984 г.

• Кластеры с магическими четными числами атомов
• углерода 36 < n < 150 – фуллерены !!?

• E.A. Rohlfing, D.M. Cox, A. Kaldor, J. Chem. Phys. 81, 3322 (1984).

• ФУЛЛЕРЕН

• Сентябрь 1985,
• Rice University,
• R. Smalley

• ФУЛЛЕРЕН

• ФУЛЛЕРЕН
• Нобелевская Премия 1996 г.

• Роберт Кёрл, Гарольд Крото, Ричард Смолли

• ЭКСПО-67, Монреаль
• «Геодезический купол»
• Архитектор
• Бакминстер Фуллер

• С60 – БАКМИНСТЕРФУЛЛЕРЕН (1985 г.)

• ФУЛЛЕРЕН - термин

• Типы ФУЛЛЕРЕНОВ

• Кристаллические материалы
• из ФУЛЛЕРЕНОВ

• ГЦК структура с постоянной решетки 1,417 нм
• Расстояние C60-C60 – 1,002 нм
• Нековалентные связи

• Промышленное производство ФУЛЛЕРЕНОВ

• Испарение графита в
• электрической угольной дуге в атмосфере гелия при пониженном давлении

• Фуллерены C60 и
• C70 выделяют из сконденсированных паров путём экстракции бензолом.

• Промышленное производство ФУЛЛЕРЕНОВ

• ( путем сжигания толуола )

• ФУЛЛЕРЕНОВЫЕ «луковицы»

• МОЛЕКУЛЫ
• АСФАЛЬТЕНОВ

• ФУЛЛЕРЕНЫ в природных нефтях

• В природных битумах концентрация фуллеренов C60 не более 0,2-0,3 ппм

• УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
• обнаружены в 1991 г.

• Японский ученый
• Профессор
• Sumio Iijima

• УГЛЕРОДНЫЕ
• НАНОТРУБКИ

• УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ
• в природной мексиканской нефти

• Промышленное производство
• УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

• Плазменный реактор
• компании SINTEF
• в Норвегии
• и его продукция

• МОЛЕКУЛЯРНОЕ СОВЕРШЕНСТВО УГЛЕРОДНЫХ НАНООБЪЕКТОВ:
• Идеальная структура фуллеренов и нанотрубок

• Электропроводность меди.
• Теплопроводность алмаза.
• Химия углерода.
• Самое прочное волокно, которое когда-либо
• будет создано.

• Применения УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

• Нанотранзистор

• Зонд АСМ

• КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ

• В 2011 г. специалисты из Rice University
• изготовили проводящий кабель из
• углеродных нанотрубок, легированных
• атомами йода

• Электропроводность кабеля – такая же, как у обычных
• металлических проводов, а масса – в 6 раз меньше.

• 1 мм

• Гибкий материал из углеродных
• нанотрубок, сохраняющий
• пластические свойства в диапазоне
• температур более 1000 градусов

• Самый большой в мире
• кусок ткани из
• углеродных нанотрубок
• ( 2008 г.,
• Nanocomp Technologies )

• Первые образцы
• ГРАФЕНА
• выделены в 2004 г.

• A. Geim (Англия)
• К. Новоселов (Россия)

• C62H20

• ЗА ОТКРЫТИЕ ГРАФЕНОВ
• В 2010 Г.
• ПРИСУЖДЕНА
• НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ

• ГРАФЕНЫ – предшественники
• фуллеренов и углеродных нанотрубок

• Возможные применения графеновых покрытий
• в наноэлектронике

• Вычислительные устройства
• на основе графена имеют
• большее быстродействие
• и не требуют высоких затрат
• на охлаждение

• Графеновые
• «нанороботы»
• для
• нефтяных
• месторождений

• ФОРМИРОВАНИЕ
• НАНОСТРУКТУР
• В РЕЗУЛЬТАТЕ
• САМООРГАНИЗАЦИИ
• ЧАСТИЦ НАНОУГЛЕРОДА
• ПРИРОДНЫХ НЕФТЕЙ

• ( Ассоциативные наноколлоиды
• наноуглерода )

• Самоорганизация диамондоидов
• в структуры типа «хозяин-гость»
• и в цепочечные структуры

• G. Ali Mansoori
• Advances in Chemical Physics
• Vol. 136, pp. 207-258, 2007

• Формирование наноструктур
• частицами наноалмаза

• С60 в различных растворителях

• Нанокристалл
• фуллеренов
• (фуллерит)

• Микрокристаллы
• фуллерита
• (изображение в СЭМ )

• Формирование наноструктур
• фуллеренами

• Наноагрегаты («связки»), образующиеся
• при самоассоциации
• углеродных нанотрубок.

• Формирование наноструктур
• графенами

• Формирование
• нановолокон
• путем стэкинга
• частиц графена
• (изображение в СЭМ)

• Схемы образования
• наноагрегатов графена
• по механизму стэкинга

• КОНЕЦ ЛЕКЦИИ