Растителни фулерени. Относно водата. Малък, но прецизен

Най-ефективният метод за производство на фулерени се основава на термичното разлагане на графит. При умерено нагряване на графита връзката между отделните слоеве графит се прекъсва, но изпареният материал не се разлага на отделни атоми. В този случай изпареният слой се състои от отделни фрагменти, които са комбинация от шестоъгълници. От тези фрагменти се изгражда молекулата С60 и други фулерени. За разлагане на графит за получаване на фулерени се използва резистивно и високочестотно нагряване на графитен електрод, изгаряне на въглеводороди, лазерно облъчване на графитната повърхност и изпаряване на графит от фокусиран слънчев лъч. Тези процеси се извършват в буферен газ, който обикновено е хелий. Най-често за получаване на фулерени се използва дъгов разряд с графитни електроди в хелиева атмосфера. Основната роля на хелия е свързана с охлаждане на фрагменти, които имат висока степен на вибрационно възбуждане, което им пречи да се комбинират в стабилни структури. Оптималното налягане на хелия е в диапазона 50-100 Torr.

Основата на метода е проста: между два графитни електрода се запалва електрическа дъга, в която анодът се изпарява. По стените на реактора се отлагат сажди, съдържащи от 1 до 40% (в зависимост от геометричните и технологични параметри) фулерени. За извличане на фулерени от сажди, съдържащи фулерен, се използват разделяне и пречистване, течна екстракция и колонна хроматография. На първия етап саждите се третират с неполярен разтворител (толуен, ксилен, въглероден дисулфид). Ефективността на екстракцията се осигурява чрез използване на апарат на Сокслет или ултразвукова обработка. Полученият разтвор на фулерени се отделя от утайката чрез филтруване и центрофугиране, разтворителят се дестилира или изпарява. Твърдата утайка съдържа смес от фулерени, солватирани в различна степен от разтворителя. Разделянето на фулерени в отделни съединения се извършва с помощта на колонна течна хроматография или течна хроматография под високо налягане. Пълното отстраняване на остатъка от разтворителя от твърда проба от фулерен се извършва чрез задържане при температура 150-250 °C в условия на динамичен вакуум в продължение на няколко часа. Допълнителни увеличения на чистотата се постигат чрез сублимация на пречистени проби

8. Перспективи за практическо използване на фулерени и фулерити

Откриването на фулерените вече доведе до създаването на нови клонове на физиката и химията на твърдото тяло (стереохимия). Биологичната активност на фулерените и техните производни се изучава активно. Доказано е, че представителите на този клас са способни да инхибират различни ензими, да предизвикват специфично разцепване на ДНК молекули, да насърчават преноса на електрони през биологични мембрани и да участват активно в различни редокс процеси в организма. Започна работа по изучаване на метаболизма на фулерените, като специално внимание се обръща на антивирусните свойства. Доказано е по-специално, че някои фулеренови производни са способни да инхибират протеазата на вируса на СПИН. Идеята за създаване на противоракови лекарства на базата на водоразтворими ендоедрални съединения на фулерени с радиоактивни изотопи е широко обсъждана. Но тук ще засегнем главно перспективите за използване на фулеренови материали в техниката и електрониката.

Възможност за получаване на свръхтвърди материали и диаманти.Големи надежди се възлагат на опитите за използване на фулерен, който има частична sp^3 хибридизация, като суровина за заместване на графита при синтеза на диаманти, подходящи за техническа употреба. Японски изследователи, които изследваха ефекта на налягането върху фулерена в диапазона 8-53 GPa, показаха, че преходът фулерен-диамант започва при налягане от 16 GPa и температура от 380 K, което е значително по-ниско от

за прехода графит-диамант. Възможността за получаване

големи (до 600-800 микрона) диаманти при температури от 1000 °C и налягане до 2 GPa. Добивът на големи диаманти достигна 33 тегловни. %. Линиите на рамановско разсейване с честота 1331 cm^-1 са с ширина 2 cm^-1, което показва високото качество на получените диаманти. Активно се изучава и възможността за получаване на свръхтвърди фулеритни фази, полимеризирани под налягане.

Фулерени като прекурсори за растеж на диамантени филми и силициев карбид.Филмите от широкозонни полупроводници, като диамант и силициев карбид, са обещаващи за използване във високотемпературна, високоскоростна електроника и оптоелектроника, включително ултравиолетовия диапазон. Цената на такива устройства зависи от развитието на методите за химическо отлагане (CVD) за широкопросветни филми и съвместимостта на тези методи със стандартната силициева технология. Основният проблем при отглеждането на диамантени филми е преференциалното насочване на реакцията по пътя на образуване на фазата sp^3 иНе sp^2. Изглежда ефективно да се използват фулерени по два начина: увеличаване на скоростта на образуване на диамантени нуклеационни центрове върху субстрат и използването им като подходящи „градивни елементи“ за отглеждане на диаманти в газова фаза. Доказано е, че фрагментирането на C60 се получава при микровълнов разряд върху C2, които са подходящи материали за растеж на диамантени кристали. MER Corporation е произвела висококачествени диамантени филми със скорост на растеж от 0,6 µm/h, използвайки фулерени като прекурсори за растеж и нуклеация. Авторите прогнозират, че този висок темп на растеж ще намали значително цената на CVD диамантите. Значително предимство е, че фулерените улесняват процеса на съвпадение на параметрите на решетката по време на хетероепитаксия, което прави възможно използването на IR материали като субстрати.

Настоящите процеси за производство на силициев карбид изискват използването на температури до 1500 °C, което е слабо съвместимо със стандартната силициева технология. Но използвайки фулерени, силициевият карбид може да бъде получен чрез отлагане на филм C60 върху силициев субстрат с по-нататъшно отгряване при температура не по-висока от 800 - 900 ° C със скорост на растеж от 0,01 nm / s върху Si субстрата.

Фулерените като материал за литография.Поради способността да полимеризират под действието на лазерен или електронен лъч и по този начин да образуват фаза, неразтворима в органични разтворители, използването им като резист за субмикронна литография е обещаващо. Фулереновите филми могат да издържат на значително нагряване, не замърсяват субстрата и позволяват сухо проявяване.

Фулерените като нови материали за нелинейната оптика.Материали, съдържащи фулерени (разтвори, полимери, течности със силно нелинейни оптични свойства, са обещаващи за използване като оптични ограничители (атенюатори) на интензивно лазерно лъчение; фоторефрактивни среди за запис на динамични холограми; честотни преобразуватели; устройства за фазово конюгиране.

Най-изследваната област е създаването на оптични ограничители на мощността на базата на разтвори C60 и твърди разтвори. Ефектът от ограничението на нелинейното предаване започва при приблизително 0,2 - 0,5 J/cm^2, нивото на наситено оптично предаване съответства на 0,1 - 0,12 J/cm2. Тъй като концентрацията в разтвора се увеличава, нивото на ограничение на енергийната плътност намалява. Например, с дължина на пътя в пробата от 10 mm (колимиран лъч) и концентрации на разтвор на C60 в толуен от 1 * 10^-4, 1,65 * 10^-4 и 3,3 * 10^-4 M, наситеният пропускливостта на оптичния ограничител се оказа равна съответно на 320, 165 и 45 mJ/cm 2 . Показано е, че при дължина на вълната от 532 nm при различна продължителност на импулса t (500 fs, 5 ps, 10 ns), нелинейното оптично ограничение се проявява при енергийни плътности от 2, 9 и 60 mJ/cm^2. При високи плътности на входната енергия (повече от 20 J/cm^2), в допълнение към ефекта на нелинейно наситено поглъщане от възбуденото ниво се наблюдава дефокусиране на лъча в пробата, което е свързано с нелинейно поглъщане, увеличаване на температурата на пробата и промяна в индекса на пречупване в областта на преминаване на лъча. За по-високите фулерени границата на абсорбционните спектри се измества към по-дълги дължини на вълните, което прави възможно получаването на оптична граница при λ = 1,064 μm.

За да се създаде оптичен ограничител в твърдо състояние, от съществено значение е да се въведат фулерени в матрица в твърдо състояние, като същевременно се запази молекулата като цяло и се образува хомогенен твърд разтвор. Също така е необходимо да се избере матрица с висока радиационна устойчивост, добра прозрачност и високо оптично качество. Като матрици в твърдо състояние се използват полимери и стъкловидни материали. Съобщава се за успешно получаване на твърд разтвор на C60 в SiO 2 с помощта на зол-гел технология. Пробите имат оптична граница от 2-3 mJ/cm^2 и праг на разрушаване над 1 J/sv^2. Оптичен ограничител върху полистиролова матрица също е описан и е показано, че в този случай ефектът на оптичното ограничаване е 5 пъти по-добър, отколкото за C60 в разтвор. При въвеждането на фулерени в лазерни фосфатни стъкла беше показано, че фулерените C60 и C70 в стъклата не се разрушават и механичната якост на стъклата, легирани с фулерени, се оказва по-висока от чистите.

Интересно приложение на ограничаване на мощността на нелинейно оптично излъчване е използването на фулерени в лазерна кухина за потискане на шиповия режим по време на самозаключване на режима. Високата степен на нелинейност на среда с фулерени може да се използва като бистабилен елемент за компресиране на импулси в наносекундния диапазон на продължителност.

Наличие на фулерени в електронната структура пи-електронни системи, както е известно, води до голяма стойност на нелинейна чувствителност, което предполага възможността за създаване на ефективни генератори на трети оптични хармоници. Наличието на ненулеви компоненти на тензора на нелинейната чувствителност x (3) е необходимо условие за осъществяване на процеса на генериране на трета хармоника, но за практическото му използване с ефективност от десетки процента е необходимо наличието на фазово съгласуване в необходима е средна. Ефективно генериране

могат да бъдат получени в слоести структури с квазисинхронизъм на взаимодействащи вълни. Слоевете, съдържащи фулерен, трябва да имат дебелина, равна на дължината на кохерентното взаимодействие, а слоевете, които ги разделят с практически нулева кубична чувствителност, трябва да имат дебелина, която осигурява фазово изместване от пимежду основната честота и третата хармонична радиация.

Фулерените като нови полупроводникови и наноструктурни материали.Фулеритите като полупроводници със забранена лента от около 2 eV могат да се използват за създаване на транзистори с полеви ефекти, фотоволтаични устройства, слънчеви клетки и има примери за такава употреба. Въпреки това, те трудно могат да се конкурират по параметри с конвенционалните устройства с напреднала технология, базирана на Si или GaAs. Много по-обещаващо е използването на фулереновата молекула като готов обект с нано размери за създаване на наноелектронни устройства и устройства, базирани на нови физически принципи.

Фулеренова молекула, например, може да бъде поставена върху повърхността на субстрат по определен начин с помощта на сканиращ тунелен микроскоп (STM) или атомно-силов микроскоп (AFM) и това може да се използва като начин за запис на информация. За четене на информация се използва повърхностно сканиране със същата сонда. В този случай 1 бит информация е наличието или отсъствието на молекула с диаметър 0,7 nm, което прави възможно постигането на рекордна плътност на запис на информация. Такива експерименти се провеждат в Bell. Ендоедралните комплекси от редкоземни елементи, като тербий, гадолиний и диспрозий, които имат големи магнитни моменти, също са интересни за обещаващи устройства с памет. Фулеренът, съдържащ такъв атом, трябва да има свойствата на магнитен дипол, чиято ориентация може да се контролира от външно магнитно поле. Тези комплекси (под формата на подеднослоен филм) могат да служат като основа за магнитна среда за съхранение с плътност на запис до 10^12 бита/cm^2 (за сравнение, оптичните дискове позволяват постигане на повърхностна плътност на запис от 10 ^8 бита/cm^2).

Фигура 12 . Схематична диаграма на едномолекулен транзистор на базата на молекула C60

Разработени са физически принципи за създаване на аналог на транзистор върху единична фулеренова молекула, който може да служи като усилвател в наноамперния диапазон ( ориз. 12). Два точкови наноконтакта са разположени на разстояние около 1-5 nm от едната страна на молекулата C60. Един от електродите е източник, другият играе ролята на дренаж. Третият електрод (решетка) е малък пиезоелектричен кристал и се довежда до разстоянието на Ван дер Ваалс от другата страна на молекулата. Входният сигнал се подава към пиезоелектричен елемент (накрайник), който деформира молекулата, разположена между електродите - сорс и дрейн, и модулира проводимостта на вътрешномолекулния преход. Прозрачността на молекулярния канал на токовия поток зависи от степента на замъгляване на вълновите функции на метала в областта на фулереновата молекула. Прост модел за този транзисторен ефект е тунелна бариера, чиято височина се модулира независимо от нейната ширина, т.е. молекулата C60 се използва като естествена тунелна бариера. Предполагаемите предимства на такъв елемент са малкият му размер и много краткото време на полет на електрони в тунелен режим в сравнение с балистичния случай, откъдето и по-високата производителност на активния елемент. Разглежда се възможността за интеграция, тоест създаване на повече от един активен елемент на молекула C60.

Въглеродни наночастици и нанотръби

След откриването на фулерени C60 и C70, при изследване на продуктите, получени от изгаряне на графит в електрическа дъга или мощен лазерен лъч, бяха открити частици, състоящи се от въглеродни атоми, имащи правилна форма и размер от десетки до стотици нанометри и следователно получи името освен фулерени също и наночастици .

Възниква въпросът: защо отне толкова време, за да се открият фулерени, получени от толкова често срещан материал като графит? Има две основни причини: първо, ковалентната връзка на въглеродните атоми е много силна: за да се разруши, са необходими температури над 4000 ° C; второ, откриването им изисква много сложно оборудване - трансмисионни електронни микроскопи с висока разделителна способност. Както вече е известно, наночастиците могат да имат най-странни форми. Различни въглеродни образувания бяха представени в известни форми. От практическа гледна точка нанотръбите са от най-голям интерес за наноелектрониката, която сега измества микроелектрониката. Тези въглеродни образувания са открити през 1991 г. от японския учен С. Иджима. Нанотръбите са ограничени плоскости от графит, навити в цилиндър и могат да имат отворени или затворени краища. Тези образувания са интересни и от чисто научна гледна точка, като модел на едномерни структури. Наистина вече са открити нанотръби с една стена с диаметър 9 A (0,9 nm). На страничната повърхност въглеродните атоми, както в графитната равнина, са разположени в шестоъгълни възли, но в чашите, които покриват цилиндрите в краищата, могат да съществуват петоъгълници и триъгълници. Най-често нанотръбите се формират под формата на коаксиални цилиндри.

Основната трудност при изучаването на свойствата на образуванията от нанотръби е, че в момента те не могат да бъдат получени в макроскопични количества, така че аксиалните оси на тръбите да са еднакво насочени. Както вече беше отбелязано, нанотръбите с малък диаметър служат като отличен модел за изследване на характеристиките на едномерните структури. Може да се очаква, че нанотръбите, подобно на графита, провеждат добре електричество и вероятно са свръхпроводници. Изследванията в тези насоки са въпрос на близко бъдеще.

По материали от www.fullwater.com.ua

"ФУЛЕРЕН - МАТРИЦАТА НА ЖИВОТА..."

Така че, за разлика от добре познатите форми на въглерод - диамант и графит, фулеренът е молекула, състоящ се от въглеродни атоми. Най-важният представител на семейството фулерени С60 се състои от 60 въглеродни атома. Всъщност не можем да кажем „диамант или графитна молекула“, това са просто кристални форми с определено пространствено разположение на въглеродните атоми в решетката. Фулеренът е единствената молекулярна форма на въглерода.

Природата е обединила много противоречиви понятия в един обект.

Фулеренът е свързващо звено между органична и неорганична материя. Това е молекула, частица и клъстер. Диаметърът на молекулата C60 е 1 nm, което съответства на дисперсионната граница, лежаща между "истинските" молекулни и колоидни състояния на веществата.

Ако погледнем вътре в фулерена, ще открием само празнина, пропита с електромагнитни полета. С други думи, ще видим някакво кухо пространство с диаметър около 0,4 nm, съдържащо " Нищо" - вакуум, затворен в карбонова обвивка, като в своеобразен контейнер. Освен това стените на този контейнер не позволяват на материални частици (йони, атоми, молекули) да проникнат вътре в него. Но самото кухо пространство, сякаш част от космоса, е по-скоро нещоотколкото нищо не е в състояние да участва във фини, информационни взаимодействия с външната материална среда. Молекулата на фулерена може да се нарече „вакуумен мехур“, за който не е подходяща известната теза, че природата ненавижда вакуума. Вакуум и материя– двете основи на Вселената са хармонично обединени в една молекула.

Друго забележително свойство на фулерените е взаимодействието им с вода. Известно е, че кристалната форма е неразтворима във вода. Много опити за получаване на водни разтвори на фулерени водят до образуването на колоидни или грубо диспергирани системи фулерен-вода, в които частиците съдържат голям брой молекули в кристална форма. Приготвянето на водни молекулярни разтвори изглежда невъзможно. А наличието на такова решение е много важно, преди всичко за използването им в биологията и медицината. От откриването на фулерените се предвижда неговата висока биологична активност. Общоприетото мнение за хидрофобността на фулерените обаче насочи усилията на много учени към създаване на водоразтворими производни или разтворими форми. В този случай различни хидрофилни радикали са прикрепени към молекулата на фулерена или са заобиколени от водоразтворими полимери и повърхностноактивни вещества, благодарение на което фулереновите молекули са „принудени“ да останат във водната среда. Много проучвания са установили високото им биологична активност. Въпреки това, всякакви промени във външната въглеродна обвивка водят до нарушаване на електронната структура и симетрия на фулереновата молекула, което от своя страна променя спецификата на нейното взаимодействие с околната среда. Следователно, биологичният ефект на изкуствено трансформираните фулеренови молекули до голяма степен зависи от естеството на прикрепените радикали и съдържащите се солюбилизатори и примеси. Фулереновите молекули проявяват най-ярката индивидуалност в своята немодифицирана форма и по-специално в техните молекулни разтвори във вода.

Получените водни разтвори на фулерени са стабилни във времето (повече от 2 години), имат непроменени физикохимични свойства и постоянен състав. Тези разтвори не съдържат токсични примеси. В идеалния случай това е само вода и фулерен. Освен това фулеренът е вграден в естествената многослойна структура на водата, където първият слой вода е здраво свързан с повърхността на фулерена поради донорно-акцепторни взаимодействия между кислорода на водата и акцепторните центрове на повърхността на фулерена. .

Комплексът от такава голяма молекула с вода също има значителен буферен капацитет. Близо до повърхността му се поддържа стойност на pH 7,2–7,6; същата стойност на pH се намира близо до повърхността на мембраните на основната част от здравите клетки в тялото. Много процеси на "болест" на клетката са придружени от промени в стойността на pH близо до повърхността на нейната мембрана. В същото време болната клетка не само създава неудобни условия за себе си, но и влияе негативно на своите съседи. Хидратираният фулерен, намиращ се близо до повърхността на клетката, е в състояние да поддържа своята здравословна pH стойност. Така се създават благоприятни условия клетката да се справи със своето заболяване.

И най-забележителното свойство на хидратирания фулерен е неговото способността да неутрализира активните радикали. Антиоксидантната активност на фулерена е 100-1000 пъти по-голяма от ефекта на известни антиоксиданти (например витамин Е, дибунол, b-каротин). Освен това хидратираният фулерен не потиска естественото ниво на свободните радикали в организма и става активен само при условия на повишаване на тяхната концентрация. И колкото повече свободни радикали се образуват в организма, толкова по-активно хидратираният фулерен ги неутрализира. Механизмът на антиоксидантното действие на фулерена е коренно различен от действието на известните антиоксиданти, използвани в практиката. По този начин, за да се неутрализира един радикал, е необходима една молекула от традиционен антиоксидант. А една хидратирана фулеренова молекула е способна да неутрализира неограничен брой активни радикали. Това е един вид антиоксидантен катализатор. Освен това самата молекула на фулерена не участва в реакцията, а е само структурообразуващ елемент на водния клъстер. ...

В началото на миналия век академик Вернадски забеляза, че живата материя се характеризира с висока симетрия. За разлика от неорганичния свят, много организми имат ос на симетрия от пети ред. Фулерен C60 има 6 оси от пети ред, това е единствената молекула в природата с такава уникална симетрия. Още преди откриването на фулерените се знае, че молекулярните структури на някои протеини са оформени като фулерени; някои вируси и други жизненоважни биологични структури (например) имат подобни структури. Интересно съответствие между фулереновата молекула и нейния минимален клъстер вторична структура на ДНК. Така че размерът на молекулата С60 съответства на разстоянието между три двойки комплементарни бази в ДНК, т.нар. кодонкойто уточнява информацията за образуването на една аминокиселина от синтезирания протеин. Разстоянието между завоите на спиралата на ДНК е 3,4 nm; първият сферичен клъстер C60, състоящ се от 13 фулеренови молекули, има същия размер.

Известно е, че въглеродът, и особено графитът и аморфният въглерод, имат способността да адсорбират най-простите молекули на повърхността си, включително тези, които биха могли да бъдат материал за образуването на по-сложни биологично важни молекули в процеса на формиране на основите на живота. материя. Фулеренът, поради своите акцепторни свойства, е в състояние избирателно да взаимодейства с други молекули и във водна среда да прехвърля тези свойства на подредени слоеве вода на значително разстояние от повърхността му.

Има много теории за произхода на живота от неорганична материя и техните основни условия са такива фактори като

1. Концентрация на прости молекули (CO, NO, NH3, HCN, H2O и др.) В близост до активни центрове, където протичат реакции с участието на външни източници на енергия.
2. Усложняване на образуваните органични молекули до полимерни и първично подредени структури.
3. Образуване на структури от висок ред.
4. Образуване на самовъзпроизвеждащи се системи.

Експериментално, при създаването на условията, съществували на земята в предбиологичния период, беше доказана възможността за наблюдение на първия фактор. Образуването на жизненоважни и маловажни аминокиселини и някои нуклеинови бази при тези условия е напълно възможно. Въпреки това вероятността да се изпълнят всички условия за възникване на живот е практически нулева. Това означава, че трябва да има някакво друго условие, което позволява целенасоченото прилагане на механизма на сглобяване на прости елементи, сложност и подреждане на получените органични съединения до нивото на появата на живата материя. И това условие според нас е наличието на матрица. Тази матрица трябва да има постоянен състав, да има висока симетрия, да взаимодейства (но не силно) с водата, да създава около себе си симетрична среда от други молекули на значително разстояние, способна да концентрира активни радикали близо до повърхността си и да улеснява неутрализирането им с образуването на сложни органични молекули, в същото време защитават неутралните форми от атаки на активни радикали, образуват подобни структури и подобни структури на водната среда. И най-важното, матрицата на въглеродния живот трябва да бъде въглерод. И всички тези изисквания се удовлетворяват от фулерена в неговото хидратирано състояние. И най-вероятно основният и най-стабилен представител на семейството на C60 фулерени. Напълно възможно е появата на живот да не е първичен акт, а този процес да се случва непрекъснато и по някакъв начин да влияе върху развитието на живота, изпитването на съществуващия живот и формирането на неговите нови форми.

Фулерените съществуват в природата навсякъде, където има въглерод и високи енергии. Те съществуват близо до въглеродни звезди, в междузвездното пространство, при удари на мълнии или близо до кратери на вулкани, дори когато газът се изгаря в домашна газова печка. Фулерените се намират и на места, където се натрупват въглеродни скали. Особено място тук заемат карелските шунгитови скали. Тези скали, съдържащи до 90% чист въглерод, са на около 2 милиарда години. Природата на техния произход все още не е ясна. Едно от предположенията е падането на голям въглероден метеорит. IN шунгитестествените фулерени са открити за първи път. Също така успяхме да извлечем и идентифицираме фулерен C60 в шунгит.

От времето на Петър I в Карелия има лечебен извор “ Марциални води" Дълги години никой не можеше да обясни причината за лечебните свойства на този източник. Предполага се, че повишеното съдържание на желязо е причината за подобряването на здравето. На земята обаче има много източници, съдържащи желязо, но като правило няма лечебен ефект. Едва след откриването на фулерени в шунгитовите скали, през които тече изворът, възниква предположението, че фулерените са квинтесенцията на терапевтичния ефект на Марциалните води. Въпреки това, лечебните свойства на тази вода, подобно на разтопената вода, не траят дълго. Не може да се бутилира и да се използва според нуждите. Още на следващия ден губи свойствата си. Марциалната вода, преминала през скала, съдържаща фулерени и фулереноподобни структури, е само „наситена“ със структурата, която скалата й придава. И по време на съхранение тези животворни клъстери се разпадат. Фулеренът не навлиза спонтанно във водата и следователно няма структурообразуващ елемент, способен да поддържа подредени клъстери вода за дълго време и следователно такава вода бързо придобива свойствата на обикновената вода. В допълнение, присъстващите в него йони сами пренареждат естествената структура на водата, създавайки свои собствени хидратиращи клъстери.

След като веднъж получихме молекулярни колоидни разтвори на фулерени във вода, ние се опитахме да възпроизведем есенцията на Марциалните води в лабораторията. Но за да направят това, те взеха високо пречистена вода и добавиха воден разтвор на фулерени в хомеопатична доза. След което започнаха да провеждат биологични тестове на различни модели. Резултатите бяха невероятни. В почти всеки модел на патология откриваме положителен биологичен ефект. Експериментите продължават повече от 10 години. При добре проведен експеримент всички патологични промени в живия организъм почти винаги се опитват да се върнат към нормалното. Но това не е целево лекарство или чуждо химично съединение, а просто топка въглерод, разтворена във вода. Освен това, създава се впечатлението, че хидратираният фулерен води до " нормално състояние„всички промени в тялото, до онези структури, които то е родило като матрица в процеса на възникване на живота.

Фулеренив най-общия смисъл на това понятие можем да наречем експериментално получени и хипотетични молекули, състоящи се изключително от въглеродни атоми и имащи формата на изпъкнали полиедри. Въглеродните атоми са разположени в техните върхове, а C-C връзките се движат по ръбовете.

Фулеренът е молекулярна форма на въглерода. Често срещано определение е това фулерени, които са в твърдо състояние, обикновено се наричат фулерити. Кристалната структура на фулерита е периодична решетка от фулеренови молекули, а в кристалния фулерит фулереновите молекули образуват fcc решетка.

От началото на деветдесетте години фулеренът представлява интерес за астрономията, физиката, биологията, химията, геологията и други науки. На фулерена се приписват фантастични медицински свойства: например, твърди се, че фулеренът вече е започнал да се използва в козметиката като средство против стареене в козметологията. С помощта на фулерен те ще се борят с рака, ХИВ и други опасни заболявания. В същото време новостта на тези данни, тяхната непознатост и спецификата на съвременното информационно пространство все още не позволяват сто процента доверие в такава информация за фулерена.

ICM (www.сайт)

Широко опростена гледна точка е, че преди откриването на фулерена е имало две полиморфни модификации на въглерода - графит и диамант, а след 1990 г. към тях е добавена друга алотропна форма на въглерода. Всъщност това не е така, защото формите на съществуване на въглерода са изненадващо разнообразни (виж статията).

История на откриването на фулерените

Колектив от автори, ръководен от L.N. Сидоров обобщава в своята монография „Фулерени“ голям брой произведения по тази тема, макар и не всички: към момента на публикуване на книгата общият брой публикации, посветени на фулерените, достигна приблизително 15 хиляди. Според авторите, откриване на фулерени- нова форма на съществуване на въглерод - един от най-често срещаните елементи на нашата планета - е призната за едно от най-важните открития в науката на 20 век. Въпреки отдавна известната уникална способност на въглеродните атоми да се свързват в сложни разклонени и обемисти молекулярни структури, която формира основата на цялата органична химия, възможността за образуване на стабилни рамкови молекули само от един въглерод все още се оказа неочаквана. Според данните, експериментално потвърждение, че молекули от този тип от 60 или повече атома могат да възникнат по време на естествени процеси в природата, е получено през 1985 г., но много преди това вече е била приета стабилността на молекулите със затворена въглеродна сфера.

Откриване на фулерение пряко свързано с изучаването на процесите на сублимация и кондензация на въглерод.

Нов етап в изучаване на фулерениидва през 1990 г., когато е разработен метод за получаване на нови съединения в грамови количества и е описан метод за изолиране на фулерени в тяхната чиста форма. След това са установени най-важните структурни и физикохимични характеристики на фулерен C60. Изомерът C60 (бакминстерфулерен) е най-лесно образуваното съединение сред известните фулерени. Фулеренът C60 получи името си в чест на футуристичния архитект Ричард Бъкминстър Фулър, който създаде структури, чиято куполна рамка се състоеше от петоъгълници и шестоъгълници. Същевременно в хода на изследователския процес възниква необходимост от общо име фулерениза обемни конструкции със затворена повърхност (карбонова рамка), поради тяхното разнообразие.

Също така си струва да се отбележи, че цяла линия от въглеродни материали е кръстена на Buckminster Fuller: c60 фулерен (buckminster fullerene) също се нарича buckyball (Buckminster Fuller не хареса името „Buckminster“ и предпочете съкратеното име „Bucky“). Освен това със същия префикс понякога се наричат: въглеродни нанотръби - buckytubes, яйцевидни фулерени - buckyegg (buckyball egg) и др.

ICM (www.сайт)

Свойства на фулерените. Фулерит

Свойства на фулеренитене са достатъчно проучени поради обективни причини: сравнително малък брой лаборатории имат възможност да изследват тези свойства. Но в периодичния и научно-популярния печат се отделя толкова много внимание на фулерените и техните свойства... Често непроверената информация за чудодейните свойства на фулерените се разпространява с удивителна скорост и в огромен мащаб, в резултат на което слабият глас на опроверженията остават нечути. Например твърдението на една група учени, че фулерените присъстват в шунгита, беше тествано многократно, но не беше потвърдено (вижте дискусията за). Въпреки това днес шунгитът се смята за „естествен нанотехнологичен материал, съдържащ фулерени“ - твърдение, което според мен засега изглежда по-скоро като маркетингов трик.

Някои изследователи съобщават за такова тревожно свойство на фулерените като токсичност.

Като правило, когато говорим за свойства на фулеренитеТе означават тяхната кристална форма - фулерити.

Значителна разлика фулеренови кристалиот молекулярни кристали на много други органични вещества, тъй като те не могат да бъдат наблюдавани течна фаза. Може би това се дължи на факта, че температурата е 1200 Кпреходът към течно състояние, който се приписва на фулерита C 60, вече надвишава неговата стойност, при която настъпва забележимо разрушаване на въглеродната рамка на самите фулеренови молекули.

Според данните, до свойства на фулеренитесе отнася до аномално висока стабилност, което се доказва от резултатите от изследванията на процеси, включващи фулерени. По-специално авторът отбелязва, че кристален фулеренсъществува като стабилно вещество до температури 1000 – 1200 K, което се обяснява с неговата кинетична стабилност. Вярно, това се отнася до стабилността на молекулата на фулерен C60 в инертна атмосфера на аргон, а в присъствието на кислород се наблюдава значително окисление вече при 500 K с образуването на CO и CO 2.

Работата е посветена на цялостно изследване на електрофизичните и термодинамичните свойства на фулеритите С60 и С70 при условия на екстремно ударно натоварване.

Във всеки случай, когато се обсъждат свойствата на фулерените, е необходимо да се уточни кое съединение се има предвид - C20, C60, C70 или друго; естествено свойствата на тези фулерени ще бъдат напълно различни.

Понастоящем фулерени С60, С70и продуктите, съдържащи фулерени, се произвеждат и предлагат за продажба от различни чуждестранни и местни предприятия, следователно купете фулерении се заемете изучаване на свойствата на фулеренитетеоретично всеки може да го направи. Фулерените C60 и C70 се предлагат на цени от $15 до $210 за грам и повече в зависимост от вида, степента на чистота, количеството и други фактори. Производство и продажба на фулерени »

Фулерени в чугуни и стомани

Приемайки съществуването фулерени и фулеренови структури в желязо-въглеродни сплави, то те трябва значително да влияят върху физико-механичните свойства на стоманите и чугуните, участващи в структурни и фазови трансформации.

ICM (www.сайт)

Механизмите на кристализация на желязо-въглеродни сплави отдавна са получили много голямо внимание от изследователите на тези процеси. В статията се разглеждат възможните механизми на образуване на сфероиден графит в чугун с висока якост и характеристиките на неговата структура, като се вземат предвид фулеренов характер на желязо-въглеродни сплави. Авторът пише, че „с откриването на фулерени и структури, базирани на фулерени, редица работи се опитват да обяснят механизма на образуване на сферичен графит, базиран на тези структури.“

Работата разглежда напредъка в областта на химията на фулерените и обобщава „нови идеи за структурата на стопилките желязо-въглерод“. Авторът заявява, че молекулярната форма на въглерода е C60 фулерени- идентифициран от него в желязо-въглеродни сплави, разтопени по класически металургични методи, и също така разкрива три възможни механизма за появата на фулерени в структурата на стомани и чугуни:

преход на фулерени в стопилката от фулерен-съдържаща шихта по време на металургични процеси за получаване на сплави;

образуване на фулерени по време на първична кристализация;

в резултат на структурни и фазови трансформации, протичащи при топлинни въздействия.

По едно време преди 5 години избрахме фулерени шестоъгълник като лого на уебсайта www.site, като символ на най-новите постижения в областта на изследването на желязо-въглеродни стопилки, като символ на нови разработки и открития, свързани с модификацията на Fe-C стопилка - неразделна част от модерното леярство и дребната металургия.

Лит.:

1. Сидоров Л.Н., Юровская М.А. и др.. Фулерени: Учебник. М .: Издателство "Изпит", 2005. - 688 с. (Поредица "Учебник за ВУЗ") УДК 544(075.8) ББК 24.2я73 ISBN 5-472-00294-Х [ Резюме ]
2. Левицки М.М., Леменовски Д.А. Фулерен // Любопитни факти от историята на химията [Електронен ресурс], 2005-2012. - Режим на достъп: http://www.xenoid.ruu, безплатен. - Шапка с козирка. от екрана.
3. Давидов С.В. Кристализация на сфероиден графит в стопилка от чугун с висока якост // М.: Производство на доставки в машиностроенето, 2008, № 3. - С. 3-8.
4. Дунаев А., Шапорев А., под ръководството на Авдеева А.А. Богато семейство въглеродни материали // Нанотехнологична общност Нанометър [Електронен ресурс], 2008 - Режим на достъп: http://www.nanometer.ru, безплатен. - Шапка с козирка. от екрана.
5. Закирничная М.М. Образуване на фулерени във въглеродни стомани и чугуни по време на кристализация и топлинни ефекти: Дис... док. тези. науки; 02/05/01. - Уфа: USNTU. - 2001 г.
6. Елецки А.В., Смирнов В.М. Фулерени // UFN, 1993. - № 2. - С.33-58.
7. Авдонин В.В. Електрофизични и термодинамични свойства на фулерити C60 и C70 при високи налягания на ударна компресия: автореферат. дис... канд. тези. науки; 01.04.17 г. - Черноголовка: Институт по проблеми на химическата физика RAS. - 2008 г.
8. Золотухин И.В. Фулерит - нова форма на въглерод // Химия. - 1996 г.
9. Палий Н.А. Фулерен. Сребърна годишнина // Нанотехнологична общност Нанометър [Електронен ресурс], 2010. - Режим на достъп: http://www.nanometer.ru, безплатен. - Шапка с козирка. от екрана.
10. Годовски Д.А. Образуване на фулерени по време на кристализация на чугун: Автореферат на дисертацията. дис... канд. тези. науки; 02/05/01. - УФА. - 2000 година.
11. А. Исакович. Различни цитотоксични механизми на Pristine срещу хидроксилиран фулерен / A. Isacovic, Z. Markovic, B. Todorovic, N. Nikolic, S. Vranjes-Djuric, M. Mirkovic, M. Dramicanin, L. Harhaji, N. Raicevic, Z. Nikolic , В. Трайкович // Токсикологични науки 91(1), 173–183 (2006)
12. Борщевски А.Я. Фулерени / Борщевски А.Я., Йофе И.Н., Сидоров Л.Н., Троянов С.И., Юровская М.А. // Нанотехнологична общност Нанометър [Електронен ресурс], 2007. - Режим на достъп: http://www.nanometer.ru, безплатен. - Шапка с козирка. от екрана.

Фулеренът е молекулно съединение, което принадлежи към класа на алотропните форми на въглерода и представлява изпъкнал затворен полиедър, съставен от четен брой трикоординирани въглеродни атоми. Уникалната структура на фулерените определя техните уникални физични и химични свойства.

Други форми на въглерод: графен, карбин, диамант, фулерен, въглеродни нанотръби, „мустаци“.

Описание и структура на фулерена:

Фулерен, бакибол или бакибол е молекулно съединение, принадлежащо към класа на алотропните форми въглероди представляващи изпъкнали затворени полиедри, съставени от четен брой трикоординирани въглеродни атоми.

Фулерените са кръстени на инженера и архитекта Ричард Бъкминстър Фулър, който разработи и изгради пространствената структура на „геодезичен купол“, който представлява полусфера, сглобена от тетраедри. Този дизайн донесе на Фулър международно признание и слава. Днес, въз основа на неговите разработки, се разработват и изграждат куполни къщи. Фулеренът по своята структура и форма наподобява посочените проекти на Ричард Бъкминстър Фулър.

Уникалната структура на фулерените определя техните уникални физични и химични свойства. В комбинация с други вещества те правят възможно получаването на материали с принципно нови свойства.

В фулеренови молекули, атоми въглеродразположени във върховете на шестоъгълниците и петоъгълниците, които изграждат повърхността на сферата или елипсоида. Най-симетричният и най-пълно проучен представител на семейството на фулерените е фулеренът (C 60), в който въглеродните атоми образуват пресечен икосаедър, състоящ се от 20 шестоъгълниции 12 петоъгълника и наподобяващи футболна топка (като идеална форма, изключително рядка в природата).

Следващият най-често срещан е C 70 фулеренът, който се различава от C 60 фулерена по вмъкването на колан от 10 атома въглеродв екваториалната област на С 60, в резултат на което молекулата на фулерена С 60 е удължена и наподобява по форма топка за ръгби.

Така наречените висши фулерени, съдържащи по-голям брой въглеродни атоми (до 400 или повече), се образуват в много по-малки количества и често имат доста сложен изомерен състав. Сред най-изследваните висши фулерени можем да подчертаем C н, Където н= 74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Връзката между върховете, ръбовете и лицата на фулерена може да се изрази с математическа формула съгласно теоремата на Ойлер за полиедри:

B - P + G = 2,

където B е броят на върховете на изпъкнал многостен, P е броят на неговите ръбове и Г е броят на лицата.

Необходимо условие за съществуването на изпъкнал полиедър според теоремата на Ойлер (и съответно съществуването на фулерен с определена структура и форма) е наличието на точно 12 петоъгълни лица и B /2 — 10 лица.

Възможността за съществуването на фулерени е предсказана от японски учени през 1971 г., а теоретична обосновка е направена от съветски учени през 1973 г. Фулеренът е синтезиран за първи път през 1985 г. в САЩ.

Почти всички фулерени се получават изкуствено. В природата се среща в много малки количества. Образува се при изгаряне на природен газ и мълния, а също така се намира в много малки количества в шунгити, фулгурити, метеорити и дънни седименти, чиято възраст достига 65 милиона години.

Фулеренови съединения:

Фулеренът лесно се комбинира с други химични елементи. В момента на базата на фулерени вече са синтезирани повече от 3 хиляди нови и производни съединения.

Ако съставът на фулеренова молекула, в допълнение към въглеродните атоми, включва атоми на други химични елементи, тогава ако атомите на други химични елементи са разположени вътре във въглеродната рамка, такива фулерени се наричат ​​ендоедрални, ако са извън - екзоедрални.

Предимства и свойства на фулерена:

– материалите, използващи фулерени, имат повишена якост, устойчивост на износване, термична и химическа стабилност и намалена абразия,

– механичните свойства на фулерените позволяват използването им като високоефективна антифрикционна твърда смазка. На повърхностите на противотелата те образуват защитен фулерен-полимерен филм с дебелина десетки и стотици нанометри, който предпазва от термична и окислителна деструкция, увеличава живота на триещите възли в аварийни ситуации с 3-8 пъти, повишава термичната стабилност на смазочните материали до 400-500 °C и носещата способност на триещите се единици с 2-3 пъти, разширява обхвата на работното налягане на триещите се единици с 1,5-2 пъти, намалява времето за работа на противотелата,

– фулерените са способни да полимеризират и да образуват тънки филми,

– рязко намаляване на прозрачността на разтвор на фулерен, когато интензитетът на оптичното излъчване надвиши определена критична стойност поради нелинейни оптични свойства,

– възможността за използване на фулерени като основа за нелинейни оптични вентили, използвани за защита на оптични устройства от интензивно оптично излъчване,

– фулерените имат способността да проявяват свойствата на антиоксидант или окислител. Като антиоксидантипревишават ефекта на всички известни антиоксиданти 100 - 1000 пъти. Проведени са експерименти върху плъхове, хранени с фулерени в зехтин. В същото време плъховете живеят два пъти по-дълго от обикновено и освен това демонстрират повишена устойчивост към въздействието на токсични фактори,

– е полупроводник със забранена зона ~1,5 eVи неговите свойства са в много отношения подобни на тези на други полупроводници,

– C60 фулерените, действащи като лиганд, взаимодействат с алкални и някои други метали. В този случай се образуват комплексни съединения от състава Me 3 C60, които имат свойствата на свръхпроводници.

Свойства на фулереновата молекула*:

* по отношение на C60 фулерен.

Получаване на фулерени:

Основните методи за получаване на фулерени са:

— изгаряне на графитни електроди в електрическа дъга в хелиева атмосфера при ниско налягане,

– лекарства и фармацевтични продукти,

– геомодификатори на триене,

- козметика,

– като добавка за получаване синтетични диамантиметод с високо налягане. Добивът на диаманти се увеличава с 30%,

Автоматична система за машинно доене на крави "Стил...

Квантов компютър

Електрически автобус с динамично зареждане...

Здрав лаптоп, базиран на процесор Elbrus-1C+...

Гъвкав камък

Молекулярната форма на въглерода или неговата алотропна модификация, фулерен, е дълга поредица от атомни клъстери C n (n > 20), които са изпъкнали затворени полиедри, изградени от въглеродни атоми и имащи петоъгълни или шестоъгълни лица (тук има много редки изключения ). Въглеродните атоми в незаместените фулерени са склонни да бъдат в sp 2 хибридно състояние с координационно число 3. По този начин се образува сферична спрегната ненаситена система съгласно теорията на валентните връзки.

общо описание

Най-термодинамично стабилната форма на въглерод при нормални условия е графитът, който изглежда като купчина графенови листове, едва свързани един с друг: плоски решетки, състоящи се от шестоъгълни клетки с въглеродни атоми в горната част. Всеки от тях е свързан с три съседни атома, а четвъртият валентен електрон образува пи система. Това означава, че фулеренът е точно такава молекулна форма, тоест картината на sp 2 хибридното състояние е очевидна. Ако в графенов лист се въведат геометрични дефекти, неизбежно ще се образува затворена структура. Например, такива дефекти са петчленни цикли (петоъгълни лица), които са също толкова често срещани заедно с хексагоналните в химията на въглерода.

Природа и технологии

Получаването на фулерени в чиста форма е възможно чрез изкуствен синтез. Тези съединения продължават да се изследват интензивно в различни страни, като се установяват условията, при които протича тяхното образуване, а също така се разглежда структурата на фулерените и техните свойства. Обхватът на тяхното приложение се разширява все повече. Оказа се, че значително количество фулерени се съдържа в саждите, които се образуват върху графитни електроди при дъгов разряд. Никой не беше виждал този факт преди.

Когато фулерените бяха получени в лабораторията, въглеродните молекули започнаха да се откриват в природата. В Карелия те са открити в проби от шунгити, в Индия и САЩ - във фурулгити. Въглеродните молекули също са изобилни и често срещани в метеоритите и седиментите на дъното, които са на най-малко шестдесет и пет милиона години. На Земята чисти фулерени могат да се образуват по време на разряд на мълния и по време на изгаряне на природен газ. взети над Средиземно море са изследвани през 2011 г. и се оказва, че фулерен има във всички взети проби - от Истанбул до Барселона. Физическите свойства на това вещество причиняват спонтанно образуване. Освен това огромни количества от него са открити в космоса - както в газообразна, така и в твърда форма.

Синтез

Първите експерименти за изолиране на фулерени са настъпили чрез кондензирани графитни пари, които са получени чрез лазерно облъчване на твърди графитни проби. Възможно е да се получат само следи от фулерени. Едва през 1990 г. химиците Huffman, Lamb и Kretschmer разработиха нов метод за извличане на фулерени в грамови количества. Състои се от изгаряне на графитни електроди с електрическа дъга в хелиева атмосфера и при ниско налягане. Анодът беше ерозиран и по стените на камерата се появиха сажди, съдържащи фулерени.

След това саждите се разтварят в толуен или бензен и грамове чисти C70 и C60 молекули се освобождават в получения разтвор. Съотношение - 1:3. Освен това разтворът съдържа два процента тежки фулерени от по-висок порядък. Сега оставаше само да се изберат оптималните параметри за изпарение - атмосферен състав, налягане, диаметър на електрода, ток и т.н., за да се постигне най-висок добив на фулерени. Те представляват приблизително дванадесет процента от самия аноден материал. Ето защо фулерените са толкова скъпи.

производство

Всички опити на научните експериментатори отначало бяха напразни: не бяха намерени продуктивни и евтини методи за производство на фулерени. Нито изгарянето на въглеводороди в пламък, нито химическият синтез доведоха до успех. Методът с електрическа дъга остава най-продуктивен, позволявайки получаването на около един грам фулерени на час. Mitsubishi са установили промишлено производство чрез изгаряне на въглеводороди, но техните фулерени не са чисти - те съдържат кислородни молекули. И самият механизъм на образуване на това вещество все още остава неясен, тъй като процесите на изгаряне на дъгата са изключително нестабилни от термодинамична гледна точка и това значително пречи на разглеждането на теорията. Единствените неопровержими факти са, че фулеренът събира отделни въглеродни атоми, тоест C 2 фрагменти. Въпреки това, ясна картина на образуването на това вещество не е формирана.

Високата цена на фулерените се определя не само от ниския добив при изгаряне. Изолиране, пречистване, отделяне на фулерени с различни маси от сажди - всички тези процеси са доста сложни. Това важи особено за разделянето на сместа на отделни молекулни фракции, което се извършва с помощта на течна хроматография върху колони и високо налягане. На последния етап останалият разтворител се отстранява от вече твърдия фулерен. За да направите това, пробата се съхранява в условия на динамичен вакуум при температури до двеста и петдесет градуса. Но плюсът е, че по време на разработването на фулерен C 60 и производството му в макро количества, органичната химия придоби независим клон - химията на фулерените, която стана невероятно популярна.

полза

Фулереновите производни се използват в различни области на техниката. Фулереновите филми и кристали са полупроводници, които показват фотопроводимост при оптично облъчване. Кристалите C60, ако са легирани с атоми на алкални метали, преминават в състояние на свръхпроводимост. Фулереновите разтвори имат нелинейни оптични свойства и следователно могат да се използват като основа за оптични щори, които са необходими за защита срещу интензивно излъчване. Фулеренът се използва и като катализатор за синтеза на диаманти. Фулерените се използват широко в биологията и медицината. Има три свойства на тези молекули: липофилност, която определя мембранотропността, електронен дефицит, който дава способността да взаимодействат със свободните радикали, както и способността да прехвърлят собственото си възбудено състояние към обикновената кислородна молекула и да превръщат този кислород в синглет.

Такива активни форми на веществото атакуват биомолекулите: нуклеинови киселини, протеини, липиди. Реактивните кислородни видове се използват във фотодинамичната терапия за лечение на рак. В кръвта на пациента се въвеждат фотосенсибилизатори, генериращи реактивни кислородни видове - самите фулерени или техните производни. Кръвотокът в тумора е по-слаб, отколкото в здравите тъкани, поради което в него се натрупват фотосенсибилизатори и след целенасочено облъчване молекулите се възбуждат, генерирайки реактивни кислородни видове. раковите клетки претърпяват апоптоза и туморът се унищожава. Освен това фулерените имат антиоксидантни свойства и улавят реактивни кислородни видове.

Фулеренът намалява активността на HIV интегразата, протеин, който е отговорен за интегрирането на вируса в ДНК, взаимодейства с него, променя неговата конформация и го лишава от основната му вредна функция. Някои от производните на фулерена взаимодействат директно с ДНК и пречат на действието на рестиктазите.

Повече за медицината

През 2007 г. водоразтворимите фулерени започнаха да се използват като антиалергични средства. Изследванията са проведени върху човешки клетки и кръв, които са били изложени на фулеренови производни - C60(NEt)x и C60(OH)x. При експерименти върху живи организми - мишки - резултатите са положителни.

Вече сега това вещество се използва като вектор за доставяне на лекарства, тъй като водата с фулерени (помнете хидрофобността на C 60) прониква много лесно през клетъчната мембрана. Например, еритропоетинът, въведен директно в кръвта, се разгражда в значителни количества и ако се използва заедно с фулерени, концентрацията се увеличава повече от два пъти и следователно той навлиза в клетката.