Fulereny roślinne. O wodzie. Mały, ale precyzyjny

Najskuteczniejsza metoda wytwarzania fulerenów opiera się na termicznym rozkładzie grafitu. Przy umiarkowanym nagrzaniu grafitu wiązanie pomiędzy poszczególnymi warstwami grafitu zostaje zerwane, ale odparowany materiał nie rozkłada się na pojedyncze atomy. W tym przypadku odparowana warstwa składa się z pojedynczych fragmentów, które stanowią kombinację sześciokątów. Z tych fragmentów zbudowana jest cząsteczka C60 i inne fulereny. Do rozkładu grafitu w celu wytworzenia fulerenów stosuje się ogrzewanie rezystancyjne i wysoką częstotliwość elektrody grafitowej, spalanie węglowodorów, naświetlanie laserem powierzchni grafitu i odparowywanie grafitu przez skupioną wiązkę światła słonecznego. Procesy te przeprowadza się w gazie buforowym, którym zwykle jest hel. Najczęściej do produkcji fulerenów wykorzystuje się wyładowanie łukowe z elektrodami grafitowymi w atmosferze helu. Główna rola helu związana jest z chłodzeniem fragmentów, które charakteryzują się wysokim stopniem wzbudzenia wibracyjnego, co uniemożliwia ich łączenie się w stabilne struktury. Optymalne ciśnienie helu mieści się w zakresie 50-100 Torr.

Podstawa metody jest prosta: pomiędzy dwiema elektrodami grafitowymi zapala się łuk elektryczny, w którym anoda odparowuje. Na ściankach reaktora osadza się sadza zawierająca od 1 do 40% (w zależności od parametrów geometrycznych i technologicznych) fulerenów. Do ekstrakcji fulerenów z sadzy zawierającej fulereny stosuje się separację i oczyszczanie, ekstrakcję cieczową i chromatografię kolumnową. W pierwszym etapie sadzę poddaje się działaniu niepolarnego rozpuszczalnika (toluen, ksylen, dwusiarczek węgla). Skuteczność ekstrakcji zapewnia zastosowanie aparatu Soxhleta lub obróbka ultradźwiękowa. Powstały roztwór fulerenów oddziela się od osadu przez filtrację i odwirowanie, rozpuszczalnik oddestylowuje się lub odparowuje. Stały osad zawiera mieszaninę fulerenów, solwatowanych w różnym stopniu przez rozpuszczalnik. Rozdzielanie fulerenów na poszczególne związki przeprowadza się za pomocą kolumnowej chromatografii cieczowej lub wysokociśnieniowej chromatografii cieczowej. Całkowite usunięcie pozostałości rozpuszczalnika z próbki stałego fulerenu przeprowadza się poprzez utrzymywanie jej w temperaturze 150-250°C w warunkach dynamicznej próżni przez kilka godzin. Dalszy wzrost czystości osiąga się poprzez sublimację oczyszczonych próbek

8. Perspektywy praktycznego zastosowania fulerenów i fulerytów

Odkrycie fulerenów doprowadziło już do powstania nowych dziedzin fizyki i chemii ciała stałego (stereochemii). Aktywnie badana jest aktywność biologiczna fulerenów i ich pochodnych. Wykazano, że przedstawiciele tej klasy są w stanie hamować różne enzymy, powodować specyficzne rozszczepienie cząsteczek DNA, sprzyjać przechodzeniu elektronów przez błony biologiczne i aktywnie uczestniczyć w różnych procesach redoks w organizmie. Rozpoczęto prace nad badaniem metabolizmu fulerenów, ze szczególnym uwzględnieniem właściwości przeciwwirusowych. W szczególności wykazano, że niektóre pochodne fulerenów są zdolne do hamowania proteazy wirusa AIDS. Szeroko dyskutuje się pomysł stworzenia leków przeciwnowotworowych na bazie rozpuszczalnych w wodzie związków endoedrycznych fulerenów z izotopami radioaktywnymi. Ale tutaj poruszymy głównie perspektywy wykorzystania materiałów fulerenowych w technologii i elektronice.

Możliwość pozyskiwania materiałów supertwardych i diamentów. Duże nadzieje pokłada się w próbach wykorzystania fulerenu posiadającego częściową hybrydyzację sp^3 jako surowca do zastąpienia grafitu w syntezie diamentów nadających się do zastosowań technicznych. Japońscy badacze badający wpływ ciśnienia na fuleren w zakresie 8-53 GPa wykazali, że przejście fuleren-diament rozpoczyna się przy ciśnieniu 16 GPa i temperaturze 380 K, czyli znacznie niższej niż

do przejścia grafit-diament. Możliwość uzyskania

duże (do 600-800 mikronów) diamenty w temperaturze do 1000°C i pod ciśnieniem do 2 GPa. Wydajność dużych diamentów osiągnęła 33 wagę. %. Linie rozpraszania Ramana o częstotliwości 1331 cm^-1 miały szerokość 2 cm^-1, co świadczy o wysokiej jakości otrzymanych diamentów. Aktywnie badana jest także możliwość otrzymania supertwardych faz fulerytowych polimeryzowanych pod ciśnieniem.

Fulereny jako prekursory wzrostu filmów diamentowych i węglika krzemu. Folie półprzewodników o dużej szczelinie, takich jak diament i węglik krzemu, są obiecujące do zastosowania w wysokotemperaturowej, szybkiej elektronice i optoelektronice, w tym w zakresie ultrafioletu. Koszt takich urządzeń zależy od rozwoju metod osadzania chemicznego (CVD) folii o szerokich szczelinach i kompatybilności tych metod ze standardową technologią krzemową. Głównym problemem w uprawie folii diamentowych jest preferowane ukierunkowanie reakcji wzdłuż ścieżki tworzenia fazy sp^3 i Nie sp^2. Efektywne wydaje się wykorzystanie fulerenów na dwa sposoby: zwiększenie szybkości tworzenia się centrów zarodkowania diamentu na podłożu oraz wykorzystanie ich jako odpowiednich „elementów budulcowych” do uprawy diamentów w fazie gazowej. Wykazano, że fragmentacja C60 zachodzi w wyładowaniu mikrofalowym na C2, które są odpowiednimi materiałami do wzrostu kryształów diamentu. MER Corporation wyprodukowała wysokiej jakości folie diamentowe o szybkości wzrostu 0,6 µm/h, wykorzystując fulereny jako prekursory wzrostu i zarodkowania. Autorzy przewidują, że tak wysoka stopa wzrostu znacznie obniży koszt diamentów CVD. Istotną zaletą jest to, że fulereny ułatwiają proces dopasowywania parametrów sieci podczas heteroepitaksji, co umożliwia wykorzystanie materiałów IR jako substratów.

Obecne procesy produkcji węglika krzemu wymagają stosowania temperatur do 1500°C, co jest słabo kompatybilne ze standardową technologią krzemu. Jednak stosując fulereny, węglik krzemu można otrzymać przez osadzenie warstwy C60 na podłożu krzemowym z dalszym wyżarzaniem w temperaturze nieprzekraczającej 800 - 900 °C z szybkością wzrostu 0,01 nm/s na podłożu krzemowym.

Fulereny jako materiał do litografii. Ze względu na zdolność do polimeryzacji pod wpływem wiązki lasera lub elektronów i utworzenia fazy nierozpuszczalnej w rozpuszczalnikach organicznych, obiecujące jest ich zastosowanie jako maski do litografii submikronowej. Folie fulerenowe wytrzymują znaczne nagrzewanie, nie zanieczyszczają podłoża i umożliwiają suchy rozwój.

Fulereny jako nowe materiały w optyce nieliniowej. Materiały zawierające fulereny (roztwory, polimery, ciecze o wysoce nieliniowych właściwościach optycznych są obiecujące do zastosowania jako optyczne ograniczniki (tłumiki) intensywnego promieniowania laserowego, nośniki fotorefrakcyjne do rejestracji hologramów dynamicznych, przetwornice częstotliwości, urządzenia do sprzęgania faz.

Najbardziej badanym obszarem jest tworzenie ograniczników mocy optycznej w oparciu o rozwiązania C60 i rozwiązania stałe. Efekt ograniczenia transmisji nieliniowej zaczyna się od około 0,2 - 0,5 J/cm^2, poziom nasycenia transmisji optycznej odpowiada 0,1 - 0,12 J/cm2. Wraz ze wzrostem stężenia w roztworze zmniejsza się poziom ograniczenia gęstości energii. Na przykład przy długości ścieżki w próbce wynoszącej 10 mm (wiązka kolimowana) i stężeniach roztworu C60 w toluenie wynoszących 1 * 10^-4, 1,65 * 10^-4 i 3,3 * 10^-4 M, nasycony transmitancja ogranicznika optycznego okazała się równa odpowiednio 320, 165 i 45 mJ/cm2. Pokazano, że przy długości fali 532 nm i różnych czasach trwania impulsu t (500 fs, 5 ps, 10 ns) nieliniowe ograniczenie optyczne objawia się przy gęstościach energii 2, 9 i 60 mJ/cm^2. Przy dużych wejściowych gęstościach energii (powyżej 20 J/cm^2) oprócz efektu nieliniowej absorpcji nasyconej z poziomu wzbudzonego obserwuje się rozogniskowanie wiązki w próbce, co wiąże się z absorpcją nieliniową, wzrostem temperaturę próbki i zmianę współczynnika załamania światła w obszarze przejścia wiązki. W przypadku wyższych fulerenów granica widm absorpcyjnych przesuwa się w stronę dłuższych fal, co umożliwia uzyskanie granicy optycznej przy λ = 1,064 µm.

Aby stworzyć półprzewodnikowy ogranicznik optyczny, konieczne jest wprowadzenie fulerenów do matrycy półprzewodnikowej, zachowując jednocześnie cząsteczkę jako całość i tworząc jednorodny roztwór stały. Konieczne jest także wybranie matrycy charakteryzującej się dużą odpornością na promieniowanie, dobrą przezroczystością i wysoką jakością optyczną. Jako matryce półprzewodnikowe stosuje się polimery i materiały szkliste. Doniesiono o pomyślnym przygotowaniu stałego roztworu C60 w SiO2 przy użyciu technologii zol-żel. Próbki miały granicę optyczną wynoszącą 2-3 mJ/cm^2 i próg zniszczenia większy niż 1 J/sv^2. Opisano także ogranicznik optyczny na matrycy polistyrenowej i wykazano, że w tym przypadku efekt ograniczenia optycznego jest 5 razy lepszy niż w przypadku C60 w roztworze. Wprowadzając fulereny do szkieł z fosforanów laserowych wykazano, że fulereny C60 i C70 w szkłach nie ulegają zniszczeniu, a wytrzymałość mechaniczna szkieł domieszkowanych fulerenami okazuje się większa niż czystych.

Ciekawym zastosowaniem ograniczenia mocy nieliniowego promieniowania optycznego jest zastosowanie fulerenów we wnęce lasera w celu tłumienia trybu szczytowego podczas blokowania w trybie własnym. Wysoki stopień nieliniowości ośrodka z fulerenami może zostać wykorzystany jako element bistabilny do kompresji impulsów w zakresie czasu trwania nanosekund.

Obecność fulerenów w strukturze elektronowej Liczba Pi-układy elektroniczne, jak wiadomo, prowadzą do dużej wartości podatności nieliniowej, co sugeruje możliwość tworzenia efektywnych generatorów trzeciej harmonicznej optycznej. Obecność niezerowych składowych nieliniowego tensora podatności x (3) jest warunkiem koniecznym realizacji procesu generacji trzeciej harmonicznej, jednak dla jego praktycznego wykorzystania z kilkudziesięcioprocentową wydajnością, obecność dopasowania fazowego w niezbędny jest środek. Wydajne wytwarzanie

można uzyskać w strukturach warstwowych z quasi-synchronizmem oddziałujących fal. Warstwy zawierające fuleren powinny mieć grubość równą długości oddziaływania spójnego, a warstwy je oddzielające przy praktycznie zerowej podatności sześciennej powinny mieć grubość zapewniającą przesunięcie fazowe Liczba Pi pomiędzy częstotliwością podstawową a promieniowaniem trzeciej harmonicznej.

Fulereny jako nowe materiały półprzewodnikowe i nanostrukturalne. Fuleryty jako półprzewodniki o pasmie wzbronionym około 2 eV można wykorzystać do budowy tranzystorów polowych, urządzeń fotowoltaicznych, ogniw słonecznych i istnieją przykłady takiego zastosowania. Trudno im jednak konkurować parametrami z konwencjonalnymi urządzeniami z zaawansowaną technologią opartą na Si czy GaAs. Znacznie bardziej obiecujące jest wykorzystanie cząsteczki fulerenu jako gotowego obiektu o nanowymiarach do tworzenia urządzeń nanoelektronicznych i urządzeń opartych na nowych zasadach fizycznych.

Na przykład cząsteczkę fulerenu można umieścić na powierzchni podłoża w określony sposób za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) lub mikroskopu sił atomowych (AFM), co można wykorzystać do rejestrowania informacji. Do odczytania informacji wykorzystuje się skanowanie powierzchni za pomocą tej samej sondy. W tym przypadku 1 bit informacji to obecność lub brak cząsteczki o średnicy 0,7 nm, co pozwala na osiągnięcie rekordowej gęstości zapisu informacji. Takie eksperymenty przeprowadzane są w Bell. Endedryczne kompleksy pierwiastków ziem rzadkich, takich jak terb, gadolin i dysproz, które mają duże momenty magnetyczne, są również interesujące w przypadku obiecujących urządzeń pamięci. Fuleren zawierający taki atom musi mieć właściwości dipola magnetycznego, którego orientacją można sterować zewnętrznym polem magnetycznym. Kompleksy te (w postaci folii submonowarstwowej) mogą stanowić bazę dla magnetycznego nośnika danych o gęstości zapisu do 10^12 bitów/cm^2 (dla porównania dyski optyczne pozwalają na uzyskanie powierzchniowej gęstości zapisu rzędu 10 ^8 bitów/cm^2).

Rysunek 12 . Schemat ideowy tranzystora jednocząsteczkowego opartego na cząsteczce C60

Opracowano zasady fizyczne umożliwiające utworzenie analogu tranzystora na pojedynczej cząsteczce fulerenu, który może służyć jako wzmacniacz w zakresie nanoamperów ( Ryż. 12). Dwupunktowe nanokontakty znajdują się w odległości około 1-5 nm po jednej stronie cząsteczki C60. Jedna z elektrod jest źródłem, druga pełni rolę drenu. Trzecia elektroda (siatka) jest małym kryształem piezoelektrycznym i jest doprowadzana do odległości van der Waalsa po drugiej stronie cząsteczki. Sygnał wejściowy doprowadzany jest do elementu piezoelektrycznego (końcówki), który odkształca cząsteczkę znajdującą się pomiędzy elektrodami – źródłem i drenem oraz moduluje przewodność przejścia wewnątrzcząsteczkowego. Przezroczystość molekularnego kanału przepływu prądu zależy od stopnia rozmycia funkcji falowych metalu w obszarze cząsteczki fulerenu. Prostym modelem tego efektu tranzystorowego jest bariera tunelowa, której wysokość jest modulowana niezależnie od jej szerokości, tzn. jako naturalna bariera tunelowa wykorzystywana jest cząsteczka C60. Zaletami takiego elementu są jego niewielkie rozmiary i bardzo krótki czas przelotu elektronów w trybie tunelowym w porównaniu z obudową balistyczną, a co za tym idzie wyższa wydajność elementu aktywnego. Rozważana jest możliwość integracji, czyli utworzenia więcej niż jednego elementu aktywnego na cząsteczkę C60.

Nanocząstki i nanorurki węgla

Po odkryciu fulerenów C60 i C70, badając produkty otrzymane w wyniku spalania grafitu w łuku elektrycznym lub silnej wiązce lasera, odkryto cząstki składające się z atomów węgla, posiadające prawidłowy kształt i wielkość od kilkudziesięciu do setek nanometrów, a zatem otrzymał nazwę oprócz fulerenów także nanocząsteczki .

Powstaje pytanie: dlaczego tak długo trwało odkrycie fulerenów otrzymywanych z tak powszechnego materiału, jak grafit? Są dwa główne powody: po pierwsze, wiązanie kowalencyjne atomów węgla jest bardzo silne: do jego rozerwania potrzebne są temperatury powyżej 4000 ° C; po drugie, ich wykrywanie wymaga bardzo złożonego sprzętu - transmisyjnych mikroskopów elektronowych o wysokiej rozdzielczości. Jak obecnie wiadomo, nanocząstki mogą mieć najdziwniejsze kształty. Zaprezentowano różne formacje węgla w znanych postaciach. Z praktycznego punktu widzenia nanorurki cieszą się największym zainteresowaniem nanoelektroniki, która obecnie wypiera mikroelektronikę. Te formacje węglowe odkrył w 1991 roku japoński naukowiec S. Ijima. Nanorurki to skończone płaszczyzny grafitu zwinięte w cylinder i mogą mieć otwarte lub zamknięte końce. Formacje te są interesujące także z czysto naukowego punktu widzenia, jako model struktur jednowymiarowych. Rzeczywiście, obecnie odkryto jednościenne nanorurki o średnicy 9 A (0,9 nm). Na powierzchni bocznej atomy węgla, podobnie jak w płaszczyźnie grafitu, są rozmieszczone w węzłach sześciokątnych, ale w miseczkach pokrywających cylindry na końcach mogą istnieć pięciokąty i trójkąty. Najczęściej nanorurki formowane są w formie współosiowych cylindrów.

Główną trudnością w badaniu właściwości formacji nanorurek jest to, że obecnie nie można ich uzyskać w ilościach makroskopowych, tak aby osie osiowe rurek były współkierunkowane. Jak już wspomniano, nanorurki o małej średnicy służą jako doskonały model do badania cech struktur jednowymiarowych. Można się spodziewać, że nanorurki, podobnie jak grafit, dobrze przewodzą prąd i prawdopodobnie są nadprzewodnikami. Badania w tych kierunkach to kwestia najbliższej przyszłości.

Na podstawie materiałów ze strony www.fullwater.com.ua

„FULLEREN – MATRYCA ŻYCIA…”

Zatem w odróżnieniu od dobrze znanych form węgla – diamentu i grafitu, fuleren jest cząsteczka, składający się z atomów węgla. Najważniejszy przedstawiciel rodziny fulerenów C60 składa się z 60 atomów węgla. Rzeczywiście nie możemy powiedzieć „cząsteczka diamentu lub grafitu”, są to po prostu formy krystaliczne z pewnym przestrzennym rozmieszczeniem atomów węgla w siatce. Fuleren jest jedyną molekularną formą węgla.

Natura połączyła w jednym obiekcie wiele sprzecznych koncepcji.

Fuleren jest łącznikiem pomiędzy materią organiczną i nieorganiczną. To jest cząsteczka, cząstka i klaster. Średnica cząsteczki C60 wynosi 1 nm, co odpowiada granicy dyspersji leżącej pomiędzy „prawdziwym” stanem molekularnym i koloidalnym substancji.

Jeśli zajrzymy do wnętrza fulerenu, znajdziemy jedynie pustkę przesiąkniętą polami elektromagnetycznymi. Innymi słowy, zobaczymy pewnego rodzaju pustą przestrzeń o średnicy około 0,4 nm, zawierającą „ Nic" - próżnia, zamknięty w węglowej skorupie, niczym w rodzaju pojemnika. Co więcej, ścianki tego pojemnika nie pozwalają na przedostanie się do jego wnętrza jakichkolwiek cząstek materialnych (jonów, atomów, cząsteczek). Ale sama pusta przestrzeń, jakby część kosmosu, jest raczej coś niż nic nie jest w stanie uczestniczyć w subtelnych, informacyjnych interakcjach z zewnętrznym środowiskiem materialnym. Cząsteczkę fulerenu można nazwać „bańką próżniową”, do czego nie nadaje się dobrze znana teza, że ​​natura nie znosi próżni. Próżnia i materia– dwa fundamenty wszechświata harmonijnie łączą się w jednej cząsteczce.

Kolejną niezwykłą właściwością fulerenów jest ich oddziaływanie z wodą. Wiadomo, że postać krystaliczna jest nierozpuszczalna w wodzie. Wiele prób otrzymania wodnych roztworów fulerenów prowadzi do powstania koloidalnych lub grubo zdyspergowanych układów fuleren-woda, w których cząstki zawierają dużą liczbę cząsteczek w postaci krystalicznej. Przygotowanie wodnych roztworów molekularnych wydaje się niemożliwe. A posiadanie takiego rozwiązania jest bardzo ważne, przede wszystkim ze względu na zastosowanie ich w biologii i medycynie. Od czasu odkrycia fulerenów przewidywano jego wysoką aktywność biologiczną. Jednak ogólnie przyjęta opinia o hydrofobowości fulerenów ukierunkowała wysiłki wielu naukowców na stworzenie rozpuszczalnych w wodzie pochodnych lub form solubilizowanych. W tym przypadku do cząsteczki fulerenu przyłączane są różne rodniki hydrofilowe lub otoczone rozpuszczalnymi w wodzie polimerami i środkami powierzchniowo czynnymi, dzięki czemu cząsteczki fulerenów „zmuszone” są do pozostania w środowisku wodnym. Wiele badań wykazało ich wysoki poziom aktywność biologiczna. Jednakże wszelkie zmiany w zewnętrznej powłoce węglowej prowadzą do naruszenia struktury elektronowej i symetrii cząsteczki fulerenu, co z kolei zmienia specyfikę jej interakcji z otoczeniem. Dlatego też działanie biologiczne sztucznie przekształconych cząsteczek fulerenów zależy w dużej mierze od charakteru przyłączonych rodników oraz zawartych w nich solubilizatorów i zanieczyszczeń. Cząsteczki fulerenów wykazują najbardziej uderzającą indywidualność w swojej niezmodyfikowanej formie, a zwłaszcza w roztworach molekularnych w wodzie.

Powstałe wodne roztwory fulerenów są stabilne w czasie (ponad 2 lata), mają niezmienne właściwości fizykochemiczne i stały skład. Roztwory te nie zawierają żadnych toksycznych zanieczyszczeń. Idealnie jest to tylko woda i fuleren. Ponadto fuleren jest wbudowany w naturalną wielowarstwową strukturę wody, gdzie pierwsza warstwa wody jest trwale połączona z powierzchnią fulerenu w wyniku interakcji donor-akceptor pomiędzy tlenem wody a centrami akceptorowymi na powierzchni fulerenu .

Kompleks tak dużej cząsteczki z wodą ma również znaczną pojemność buforową. W pobliżu jego powierzchni utrzymuje się wartość pH 7,2–7,6, taka sama wartość pH występuje w pobliżu powierzchni błon głównej części zdrowych komórek organizmu. Wielu procesom „chorobowym” komórki towarzyszą zmiany wartości pH w pobliżu powierzchni jej błony. Jednocześnie chora komórka nie tylko stwarza dla siebie niewygodne warunki, ale także negatywnie wpływa na swoich sąsiadów. Uwodniony fuleren, znajdujący się blisko powierzchni komórki, jest w stanie utrzymać jej zdrowy poziom pH. W ten sposób powstają sprzyjające warunki, aby komórka mogła poradzić sobie z chorobą.

A najbardziej niezwykłą właściwością uwodnionego fulerenu jest jego zdolność do neutralizacji aktywnych rodników. Aktywność przeciwutleniająca fulerenu jest 100–1000 razy większa niż działanie znanych antyoksydantów (np. witaminy E, dibunolu, b-karotenu). Ponadto uwodniony fuleren nie tłumi naturalnego poziomu wolnych rodników w organizmie i staje się aktywny dopiero w warunkach zwiększonego ich stężenia. A im więcej wolnych rodników powstaje w organizmie, tym aktywniej uwodniony fuleren je neutralizuje. Mechanizm przeciwutleniającego działania fulerenów zasadniczo różni się od działania znanych antyoksydantów stosowanych w praktyce. Zatem do zneutralizowania jednego rodnika potrzebna jest jedna cząsteczka tradycyjnego przeciwutleniacza. A jedna uwodniona cząsteczka fulerenu jest w stanie zneutralizować nieograniczoną liczbę aktywnych rodników. Jest to rodzaj katalizatora przeciwutleniającego. Co więcej, sama cząsteczka fulerenu nie bierze udziału w reakcji, a jedynie jest elementem strukturotwórczym skupiska wody. ...

Na początku ubiegłego wieku akademik Wernadski zauważył, że materia żywa charakteryzuje się wysoką symetrią. W przeciwieństwie do świata nieorganicznego, wiele organizmów ma oś symetrii piątego rzędu. Fuleren C60 ma 6 osi piątego rzędu i jest jedyną cząsteczką w przyrodzie o tak wyjątkowej symetrii. Jeszcze przed odkryciem fulerenów wiadomo było, że struktury molekularne niektórych białek mają kształt podobny do fulerenów; niektóre wirusy i inne istotne struktury biologiczne (na przykład) mają podobne struktury. Interesująca zgodność pomiędzy cząsteczką fulerenu i jej klastrem minimalnym struktura drugorzędowa DNA. Zatem wielkość cząsteczki C60 odpowiada odległości pomiędzy trzema parami komplementarnych zasad w DNA, tzw. kodon który określa informację dotyczącą tworzenia jednego aminokwasu syntetyzowanego białka. Odległość między zwojami helisy DNA wynosi 3,4 nm, tej samej wielkości ma pierwszy kulisty klaster C60, składający się z 13 cząsteczek fulerenu.

Wiadomo, że węgiel, a zwłaszcza grafit i węgiel amorficzny, mają zdolność adsorbowania na swojej powierzchni najprostszych cząsteczek, w tym takich, które mogłyby stanowić materiał do powstawania bardziej złożonych, biologicznie ważnych cząsteczek w procesie tworzenia podstaw życia. materiał. Fuleren dzięki swoim właściwościom akceptorowym potrafi selektywnie oddziaływać z innymi cząsteczkami, a w środowisku wodnym przenosić te właściwości uporządkowanymi warstwami wody w znacznej odległości od jej powierzchni.

Istnieje wiele teorii pochodzenia życia z materii nieorganicznej, a ich głównymi warunkami są takie czynniki jak

1. Stężenie prostych cząsteczek (CO, NO, NH3, HCN, H2O itp.) w pobliżu ośrodków aktywnych, w których zachodzą reakcje przy udziale zewnętrznych źródeł energii.
2. Komplikacja utworzonych cząsteczek organicznych w struktury polimerowe i pierwotnie uporządkowane.
3. Tworzenie struktur wyższego rzędu.
4. Tworzenie systemów samoreprodukujących.

Eksperymentalnie, tworząc warunki, jakie istniały na Ziemi w okresie prebiologicznym, udowodniono możliwość zaobserwowania pierwszego czynnika. Tworzenie się ważnych i nieistotnych aminokwasów i niektórych zasad nukleinowych w tych warunkach jest całkiem możliwe. Jednak prawdopodobieństwo spełnienia wszystkich warunków powstania życia jest praktycznie zerowe. Oznacza to, że musi istnieć jakiś inny warunek, który pozwala na celową realizację mechanizmu składania prostych elementów, złożoności i porządkowania powstałych związków organicznych do poziomu pojawienia się żywej materii. Naszym zdaniem warunkiem tym jest obecność matrycy. Matryca ta musi mieć stały skład, wysoką symetrię, oddziaływać (ale niezbyt silnie) z wodą, tworzyć wokół siebie w znacznej odległości symetryczne środowisko innych cząsteczek, zdolne do koncentracji aktywnych rodników przy swojej powierzchni i ułatwiania ich neutralizacji wraz z powstawaniem złożonych cząsteczek organicznych, jednocześnie chronią formy obojętne przed atakiem aktywnych rodników, tworzą podobne struktury i podobne struktury środowiska wodnego. A co najważniejsze, matrycą życia węglowego musi być węgiel. A wszystkie te wymagania spełnia fuleren w stanie uwodnionym. I najprawdopodobniej główny i najbardziej stabilny przedstawiciel rodziny fulerenów C60. Jest całkiem możliwe, że pojawienie się życia nie jest aktem pierwotnym, ale proces ten zachodzi w sposób ciągły i w jakiś sposób wpływa na rozwój życia, sprawdzanie istniejącego życia i tworzenie jego nowych form.

Fulereny występują w przyrodzie wszędzie tam, gdzie występuje węgiel i wysokie energie. Występują w pobliżu gwiazd węglowych, w przestrzeni międzygwiazdowej, podczas uderzeń piorunów lub w pobliżu kraterów wulkanów, nawet gdy gaz jest spalany w domowej kuchence gazowej. Fulereny występują także w miejscach gromadzenia się skał węglowych. Szczególne miejsce zajmują tu karelskie skały szungitowe. Skały te, zawierające do 90% czystego węgla, mają około 2 miliardy lat. Natura ich pochodzenia nadal nie jest jasna. Jednym z założeń jest upadek dużego meteorytu węglowego. W szungit po raz pierwszy odkryto naturalne fulereny. Udało nam się także wyekstrahować i zidentyfikować fuleren C60 w szungicie.

Od czasów Piotra I w Karelii bije lecznicze źródło” Wody Marciala" Przez wiele lat nikt nie potrafił definitywnie wyjaśnić przyczyny leczniczych właściwości tego źródła. Przyjęto, że przyczyną działania prozdrowotnego jest zwiększona zawartość żelaza. Jednak na ziemi istnieje wiele źródeł zawierających żelazo, ale z reguły nie ma efektu leczniczego. Dopiero po odkryciu fulerenów w skałach szungitowych, przez które przepływa źródło, narodziło się przypuszczenie, że fulereny są kwintesencją leczniczego działania wód Martyjnych. Jednak lecznicze właściwości tej wody, takie jak woda roztopiona, nie trwają długo. Nie można go butelkować i używać w razie potrzeby. Już następnego dnia traci swoje właściwości. Woda marcjalna, przechodząc przez skałę zawierającą fulereny i struktury fulerenopodobne, jest jedynie „nasycona” strukturą, jaką nadaje jej skała. Podczas przechowywania te życiodajne skupiska rozpadają się. Fuleren nie przedostaje się samoistnie do wody, w związku z czym nie ma elementu strukturotwórczego, który byłby w stanie utrzymać przez długi czas uporządkowane skupiska wody, przez co woda taka szybko nabiera właściwości zwykłej wody. Dodatkowo obecne w niej jony same przeorganowują natywną strukturę wody, tworząc własne klastry hydratacyjne.

Otrzymawszy kiedyś molekularne koloidalne roztwory fulerenów w wodzie, próbowaliśmy odtworzyć w laboratorium esencję wód Martialskich. Ale aby to zrobić, wzięli wysoce oczyszczoną wodę i dodali wodny roztwór fulerenów w dawce homeopatycznej. Następnie zaczęto przeprowadzać testy biologiczne na różnych modelach. Wyniki były niesamowite. W prawie każdym modelu patologii znajdujemy pozytywny efekt biologiczny. Eksperymenty trwają od ponad 10 lat. Przy dobrze przeprowadzonym eksperymencie wszelkie zmiany patologiczne w żywym organizmie prawie zawsze starają się powrócić do normy. Nie jest to jednak docelowy lek ani obcy związek chemiczny, ale po prostu kula węgla rozpuszczona w wodzie. Co więcej, można odnieść wrażenie, że uwodniony fuleren prowadzi do „ normalna kondycja„wszelkie zmiany w ciele, do tych struktur, które zrodziły się jako matryca w procesie powstawania życia.

Fulereny w najogólniejszym znaczeniu tego pojęcia możemy nazwać otrzymanymi eksperymentalnie i hipotetycznymi cząsteczkami składającymi się wyłącznie z atomów węgla i mającymi kształt wypukłych wielościanów. Atomy węgla znajdują się na ich wierzchołkach, a wiązania CC biegną wzdłuż krawędzi.

Fuleren jest molekularną formą węgla. Powszechna definicja jest taka fulereny, które są w stanie stałym, są zwykle nazywane fuleryty. Struktura krystaliczna fulerytu to okresowa sieć cząsteczek fulerenu, a w krystalicznym fulerycie cząsteczki fulerenu tworzą siatkę fcc.

Od początku lat dziewięćdziesiątych fulerenem interesuje się astronomia, fizyka, biologia, chemia, geologia i inne nauki. Fulerenowi przypisuje się fantastyczne właściwości lecznicze: na przykład fuleren rzekomo zaczęto już stosować w kosmetykach jako środek przeciwstarzeniowy w kosmetyce. Za pomocą fulerenu zwalczą raka, HIV i inne groźne choroby. Jednocześnie nowość tych danych, ich niewiedza oraz specyfika współczesnej przestrzeni informacyjnej nie pozwalają jeszcze na stuprocentowe zaufanie do takich informacji o fulerenach.

ICM (www.strona)

Szeroko uproszczony punkt widzenia jest taki, że przed odkryciem fulerenu istniały dwie polimorficzne modyfikacje węgla – grafit i diament, a po 1990 roku dodano do nich inną alotropową formę węgla. W rzeczywistości tak nie jest, ponieważ formy istnienia węgla są zaskakująco różnorodne (patrz artykuł).

Historia odkrycia fulerenów

Zespół autorów pod przewodnictwem L.N. Sidorov w swojej monografii „Fullereny” podsumował dużą liczbę prac na ten temat, choć nie wszystkie: do czasu wydania książki łączna liczba publikacji poświęconych fulerenom osiągnęła około 15 tysięcy. Zdaniem autorów, odkrycie fulerenów- nowa forma istnienia węgla - jednego z najpowszechniejszych pierwiastków na naszej planecie - uznawana jest za jedno z najważniejszych odkryć nauki XX wieku. Pomimo od dawna znanej wyjątkowej zdolności atomów węgla do łączenia się w złożone, rozgałęzione i obszerne struktury molekularne, które stanowią podstawę całej chemii organicznej, możliwość tworzenia stabilnych cząsteczek szkieletowych tylko z jednego węgla w dalszym ciągu okazała się nieoczekiwana. Jak wynika z danych, eksperymentalne potwierdzenie, że cząsteczki tego typu, posiadające 60 i więcej atomów, mogą powstawać w trakcie procesów naturalnie zachodzących w przyrodzie, uzyskano już w 1985 roku, ale znacznie wcześniej zakładano już trwałość cząsteczek z zamkniętą kulą węglową.

Wykrywanie fulerenów jest bezpośrednio związane z badaniem procesów sublimacji i kondensacji węgla.

Nowy etap w studiuje fulereny nastąpił w 1990 roku, kiedy opracowano metodę otrzymywania nowych związków w ilościach gramowych i opisano metodę izolowania fulerenów w czystej postaci. Następnie ustalono najważniejsze cechy strukturalne i fizykochemiczne fulerenu C60. Izomer C60 (buckminsterfulleren) jest najłatwiej tworzącym się związkiem spośród znanych fulerenów. Fuleren C60 otrzymał swoją nazwę na cześć futurystycznego architekta Richarda Buckminstera Fullera, który stworzył konstrukcje, których kopułowata rama składała się z pięciokątów i sześciokątów. Jednocześnie w trakcie badań pojawiła się potrzeba nazwy ogólnej fulereny do konstrukcji wolumetrycznych o zamkniętej powierzchni (rama karbonowa), ze względu na ich różnorodność.

Warto również zauważyć, że cała linia materiałów węglowych nosi imię Buckminstera Fullera: fuleren c60 (buckminster fullerene) nazywany jest również buckyballem (Buckminster Fuller nie lubił nazwy „Buckminster” i wolał skróconą nazwę „Bucky”). Ponadto z tym samym przedrostkiem są czasami nazywane: nanorurkami węglowymi – buckytubes, fulerenami w kształcie jaja – buckyegg (jajko buckyball) itp.

ICM (www.strona)

Właściwości fulerenów. Fulleryt

Właściwości fulerenów nie zostały dostatecznie zbadane z przyczyn obiektywnych: stosunkowo niewielka liczba laboratoriów ma możliwość badania tych właściwości. Jednak w prasie periodycznej i popularnonaukowej tak wiele uwagi poświęca się fulerenom i ich właściwościom... Często niezweryfikowane informacje o cudownych właściwościach fulerenów rozprzestrzeniają się z zadziwiającą szybkością i na ogromną skalę, czego skutkiem jest słaby głos zaprzeczenia pozostają niewysłuchane. Przykładowo, stwierdzenie jednej grupy naukowców, że w szungicie obecne są fulereny, było wielokrotnie sprawdzane, ale nie zostało potwierdzone (patrz dyskusja dalej). Niemniej jednak szungit jest dziś uważany za „naturalny nanotechnologiczny materiał zawierający fulereny” - stwierdzenie, które moim zdaniem na razie wygląda bardziej na chwyt marketingowy.

Niektórzy badacze zgłaszają tak niepokojącą właściwość fulerenów, jak toksyczność.

Z reguły, gdy mowa o właściwości fulerenów Mają na myśli ich postać krystaliczną – fuleryty.

Znacząca różnica kryształy fulerenu z kryształów molekularnych wielu innych substancji organicznych w tym sensie, że nie można ich zaobserwować faza ciekła. Być może wynika to z faktu, że temperatura wynosi 1200 K przejście do stanu ciekłego, które przypisuje się fulerytowi C 60, przekracza już jego wartość, przy której następuje zauważalne zniszczenie szkieletu węglowego samych cząsteczek fulerenu.

Według danych do właściwości fulerenów odnosi się do anormalnie wysokiej stabilności, czego dowodem są wyniki badań procesów z udziałem fulerenów. Autor zauważa to szczególnie krystaliczny fuleren występuje jako substancja stabilna do temperatur 1000 – 1200 K, co tłumaczy się stabilnością kinetyczną. To prawda, że ​​\u200b\u200bdotyczy to stabilności cząsteczki fulerenu C60 w obojętnej atmosferze argonu, a w obecności tlenu obserwuje się znaczne utlenianie już w temperaturze 500 K wraz z tworzeniem CO i CO2.

Praca poświęcona jest kompleksowym badaniom właściwości elektrofizycznych i termodynamicznych fulerytów C60 i C70 w warunkach ekstremalnego obciążenia udarowego.

W każdym razie przy omawianiu właściwości fulerenów należy sprecyzować, o który związek chodzi - C20, C60, C70 czy inny; naturalnie właściwości tych fulerenów będą zupełnie inne.

Obecnie fulereny C60, C70 dlatego też produkty zawierające fulereny są produkowane i oferowane do sprzedaży przez różne przedsiębiorstwa zagraniczne i krajowe kup fulereny i być zajętym badanie właściwości fulerenów teoretycznie każdy może to zrobić. Fulereny C60 i C70 oferowane są w cenach od 15 do 210 dolarów za gram i więcej, w zależności od rodzaju, stopnia czystości, ilości i innych czynników. Produkcja i sprzedaż fulerenów »

Fulereny w żeliwie i stali

Zakładając istnienie fulereny i struktury fulerenów w stopach żelazo-węgiel, wówczas powinny one znacząco wpływać na właściwości fizyko-mechaniczne stali i żeliwa, uczestnicząc w przemianach strukturalnych i fazowych.

ICM (www.strona)

Mechanizmy krystalizacji stopów żelaza z węglem od dawna cieszą się dużym zainteresowaniem badaczy tych procesów. W artykule omówiono możliwe mechanizmy powstawania grafitu sferoidalnego w żeliwie o dużej wytrzymałości oraz cechy jego struktury, biorąc pod uwagę fulerenowy charakter stopów żelaza z węglem. Autor pisze, że „wraz z odkryciem fulerenów i struktur na bazie fulerenów w szeregu prac podjęto próbę wyjaśnienia mechanizmu powstawania grafitu sferycznego na bazie tych struktur”.

W pracy przeanalizowano postępy w dziedzinie chemii fulerenów i podsumowano „nowe pomysły dotyczące struktury stopionego żelaza i węgla”. Autor stwierdza, że ​​molekularną formą węgla jest Fulereny C60- zidentyfikowany przez niego w stopach żelazowo-węglowych wytapianych klasycznymi metodami metalurgicznymi, a także ujawnia trzy możliwe mechanizmy pojawiania się fulereny w strukturze stali i żeliwa:

przejście fulerenów do stopu z wsadu zawierającego fulereny podczas procesów metalurgicznych służących do wytwarzania stopów;

powstawanie fulerenów podczas krystalizacji pierwotnej;

w wyniku przemian strukturalnych i fazowych zachodzących pod wpływem ciepła.

Pewnego razu, 5 lat temu, wybraliśmy fuleren oraz sześciokąt jako logo serwisu www.site, jako symbol najnowszych osiągnięć w dziedzinie badań wytopów żelaza z węglem, jako symbol nowych osiągnięć i odkryć związanych z modyfikacją wytopu Fe-C - integralny etap współczesnego odlewnictwa i drobnej metalurgii.

Oświetlony.:

1. Sidorov L.N., Yurovskaya M.A. i inne Fulereny: Podręcznik. M.: Wydawnictwo „Egzamin”, 2005. - 688 s. (Seria „Podręcznik dla uniwersytetów”) UDC 544(075.8) BBK 24.2я73 ISBN 5-472-00294-Х [ Streszczenie ]
2. Levitsky M.M., Lemenovsky D.A. Fuleren // Ciekawostki z historii chemii [Zasoby elektroniczne], 2005-2012. - Tryb dostępu: http://www.xenoid.ruu, bezpłatny. - Czapka. z ekranu.
3. Davydov S.V. Krystalizacja grafitu sferoidalnego w wytopie żeliwa o dużej wytrzymałości // M.: Produkcja zaopatrzeniowa w budowie maszyn, 2008, nr 3. - Z. 3-8.
4. Dunaev A., Shaporev A., pod kierunkiem Avdeeva A.A. Bogata rodzina materiałów węglowych // Społeczność nanotechnologiczna Nanometr [Zasoby elektroniczne], 2008 - Tryb dostępu: http://www.nanometr.ru, bezpłatnie. - Czapka. z ekranu.
5. Zakirnichnaya M.M. Tworzenie się fulerenów w stalach węglowych i żeliwach podczas krystalizacji i efektów cieplnych: Dis... doc. te. nauki; 02.05.01. - Ufa: USNTU. - 2001.
6. Eletsky A.V., Smirnov V.M. Fulereny // UFN, 1993. - nr 2. - s. 33-58.
7. Avdonin V.V. Właściwości elektrofizyczne i termodynamiczne fulerytów C60 i C70 przy wysokich ciśnieniach kompresji udarowej: streszczenie autorskie. dis... cand. te. nauki; 01.04.17. - Czernogołowka: Instytut Problemów Fizyki Chemicznej RAS. - 2008.
8. Zolotukhin I.V. Fuleryt – nowa forma węgla // Chemia. - 1996.
9. Paliy N.A. Fuleren. Srebrna rocznica // Społeczność nanotechnologiczna Nanometr [Zasoby elektroniczne], 2010. - Tryb dostępu: http://www.nanometr.ru, bezpłatnie. - Czapka. z ekranu.
10. Godovsky D.A. Powstawanie fulerenów podczas krystalizacji żeliwa: streszczenie autorskie. dis... cand. te. nauki; 02.05.01. -UFA. - 2000.
11. A. Isakovic. Odrębne mechanizmy cytotoksyczne nieskażonego kontra hydroksylowanego fulerenu / A. Isacovic, Z. Markovic, B. Todorovic, N. Nikolic, S. Vranjes-Djuric, M. Mirkovic, M. Dramicanin, L. Harhaji, N. Raicevic, Z. Nikolic , V. Trajkovic // Nauki toksykologiczne 91(1), 173–183 (2006)
12. Borszczewski A.Ya. Fullerenes / Borshchevsky A.Ya., Ioffe I.N., Sidorov L.N., Troyanov S.I., Yurovskaya M.A. // Społeczność nanotechnologiczna Nanometr [Zasoby elektroniczne], 2007. - Tryb dostępu: http://www.nanometr.ru, bezpłatnie. - Czapka. z ekranu.

Fuleren to związek molekularny należący do klasy alotropowych form węgla i będący wypukłym zamkniętym wielościanem złożonym z parzystej liczby trójkoordynacyjnych atomów węgla. Unikalna budowa fulerenów decyduje o ich wyjątkowych właściwościach fizykochemicznych.

Inne formy węgla: grafen, karbyn, diament, fuleren, nanorurki węglowe, „wąsy”.

Opis i struktura fulerenu:

Fuleren, buckyball lub buckyball to związek molekularny należący do klasy form alotropowych węgiel i reprezentujący wypukłe zamknięte wielościany, złożone z parzystej liczby trójkoordynacyjnych atomów węgla.

Fulereny zostały nazwane na cześć inżyniera i architekta Richarda Buckminstera Fullera, który opracował i zbudował przestrzenną strukturę „kopuły geodezyjnej”, czyli półkuli złożonej z czworościanów. Projekt ten przyniósł Fullerowi międzynarodowe uznanie i sławę. Dziś na podstawie jego osiągnięć powstają i budowane są domy kopułowe. Fuleren swoją budową i kształtem przypomina wskazane projekty Richarda Buckminstera Fullera.

Unikalna budowa fulerenów decyduje o ich wyjątkowych właściwościach fizykochemicznych. W połączeniu z innymi substancjami umożliwiają uzyskanie materiałów o zasadniczo nowych właściwościach.

W cząsteczkach fulerenu, atomach węgiel umieszczone na wierzchołkach sześciokątów i pięciokątów tworzących powierzchnię kuli lub elipsoidy. Najbardziej symetrycznym i najlepiej poznanym przedstawicielem rodziny fulerenów jest fuleren (C 60), w którym atomy węgla tworzą dwudziestościan ścięty składający się z 20 sześciokąty i 12 pięciokątów i przypomina piłkę nożną (o idealnym kształcie, niezwykle rzadkim w przyrodzie).

Następnym najpowszechniejszym jest fuleren C 70, który różni się od fulerenu C 60 wprowadzeniem paska składającego się z 10 atomów węgiel w obszar równikowy C 60, w wyniku czego cząsteczka fulerenu C 60 ulega wydłużeniu i przypomina kształtem piłkę do rugby.

Tak zwane fulereny wyższe, zawierające większą liczbę atomów węgla (do 400 i więcej), powstają w znacznie mniejszych ilościach i często mają dość złożony skład izomeryczny. Wśród najlepiej zbadanych wyższych fulerenów możemy wyróżnić C N, Gdzie N= 74, 76, 78, 80, 82 i 84.

Związek pomiędzy wierzchołkami, krawędziami i ścianami fulerenu można wyrazić wzorem matematycznym zgodnie z twierdzeniem Eulera dla wielościanów:

B - P + G = 2,

gdzie B jest liczbą wierzchołków wielościanu wypukłego, P jest liczbą jego krawędzi, a Г jest liczbą ścian.

Warunkiem koniecznym istnienia wielościanu wypukłego zgodnie z twierdzeniem Eulera (a zatem istnienia fulerenu o określonej strukturze i kształcie) jest obecność dokładnie 12 ścian pięciokątnych i B /2 — 10 twarze.

Możliwość istnienia fulerenów przepowiedzieli japońscy naukowcy w 1971 r., a teoretycznego uzasadnienia dokonali naukowcy radzieccy w 1973 r. Fuleren został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1985 roku w USA.

Prawie cały fuleren pozyskiwany jest sztucznie. W naturze występuje w bardzo małych ilościach. Powstaje podczas spalania gazu ziemnego i wyładowań atmosferycznych, a także występuje w bardzo małych ilościach w szungitach, fulgurytach, meteorytach i osadach dennych, których wiek sięga 65 milionów lat.

Związki fulerenowe:

Fuleren łatwo łączy się z innymi pierwiastkami chemicznymi. Obecnie na bazie fulerenów zsyntetyzowano już ponad 3 tysiące nowych i pochodnych związków.

Jeśli w składzie cząsteczki fulerenu oprócz atomów węgla znajdują się atomy innych pierwiastków chemicznych, to jeśli atomy innych pierwiastków chemicznych znajdują się wewnątrz ramy węglowej, takie fulereny nazywane są endoedrami, a na zewnątrz - egzoedrami.

Zalety i właściwości fulerenu:

– materiały wykorzystujące fulereny charakteryzują się zwiększoną wytrzymałością, odpornością na zużycie, stabilnością termiczną i chemiczną oraz zmniejszonym ścieraniem,

– właściwości mechaniczne fulerenów pozwalają na zastosowanie ich jako wysoce skutecznego stałego smaru przeciwciernego. Na powierzchniach przeciwciał tworzą ochronną warstwę fulerenowo-polimerową o grubości kilkudziesięciu i setek nanometrów, która zabezpiecza przed zniszczeniem termicznym i oksydacyjnym, zwiększa 3-8 razy żywotność zespołów ciernych w sytuacjach awaryjnych, zwiększa stabilność termiczną smarów do 400-500°C i 2-3-krotną nośność zespołów ciernych, 1,5-2-krotnie zwiększa zakres ciśnień roboczych zespołów ciernych, skraca czas docierania korpusów przeciwstawnych,

– fulereny mają zdolność polimeryzacji i tworzenia cienkich warstw,

– gwałtowny spadek przezroczystości roztworu fulerenu, gdy natężenie promieniowania optycznego przekroczy pewną wartość krytyczną, na skutek nieliniowych właściwości optycznych,

– możliwość wykorzystania fulerenów jako podstawy nieliniowych bramek optycznych stosowanych do ochrony urządzeń optycznych przed intensywnym promieniowaniem optycznym,

– fulereny mają zdolność wykazywania właściwości przeciwutleniacza lub środka utleniającego. Jak przeciwutleniacze przewyższają działanie wszystkich znanych antyoksydantów 100 - 1000 razy. Doświadczenia przeprowadzono na szczurach karmionych fulerenami w oliwie z oliwek. Jednocześnie szczury żyły dwukrotnie dłużej niż zwykle, a ponadto wykazywały zwiększoną odporność na działanie czynników toksycznych,

– jest półprzewodnikiem o pasmie wzbronionym ~1,5 eV a jego właściwości są pod wieloma względami podobne do właściwości innych półprzewodników,

– Fulereny C60, pełniąc rolę ligandu, oddziałują z alkaliami i niektórymi innymi metalami. W tym przypadku powstają złożone związki o składzie Me 3 C60, które mają właściwości nadprzewodników.

Właściwości cząsteczki fulerenu*:

*w odniesieniu do fulerenu C60.

Przygotowanie fulerenów:

Główne metody otrzymywania fulerenów to:

— spalanie elektrod grafitowych w łuku elektrycznym w atmosferze helu pod niskim ciśnieniem,

– leki i farmaceutyki,

– geomodyfikatory tarcia,

- kosmetyki,

– jako dodatek do uzyskania syntetyczne diamenty metoda wysokociśnieniowa. Wydajność diamentu wzrasta o 30%,

Automatyczny system doju maszynowego krów „Style...

Komputer kwantowy

Autobus elektryczny z dynamicznym ładowaniem...

Wytrzymały laptop oparty na procesorze Elbrus-1C+...

Elastyczny kamień

Molekularna forma węgla lub jego alotropowa modyfikacja, fuleren, to długi szereg skupisk atomowych C n (n > 20), które są wypukłymi zamkniętymi wielościanami, zbudowanymi z atomów węgla i posiadającymi ściany pięciokątne lub sześciokątne (są tu bardzo rzadkie wyjątki ). Atomy węgla w niepodstawionych fulerenach zwykle znajdują się w stanie hybrydowym sp 2 z liczbą koordynacyjną 3. W ten sposób powstaje sferyczny sprzężony układ nienasycony zgodnie z teorią wiązań walencyjnych.

ogólny opis

Najbardziej stabilną termodynamicznie formą węgla w normalnych warunkach jest grafit, który wygląda jak stos arkuszy grafenu ledwo połączonych ze sobą: płaskich sieci składających się z sześciokątnych komórek z atomami węgla na wierzchołkach. Każdy z nich jest związany z trzema sąsiednimi atomami, a czwarty elektron walencyjny tworzy układ pi. Oznacza to, że fuleren jest właśnie taką formą molekularną, czyli obraz stanu hybrydowego sp 2 jest oczywisty. Jeśli w arkuszu grafenu zostaną wprowadzone defekty geometryczne, nieuchronnie utworzy się zamknięta struktura. Na przykład takimi defektami są cykle pięcioczłonowe (ściany pięciokątne), które w chemii węgla są równie powszechne jak cykle sześciokątne.

Natura i technologia

Otrzymanie fulerenów w czystej postaci możliwe jest poprzez sztuczną syntezę. Związki te są w dalszym ciągu intensywnie badane w różnych krajach, ustalając warunki, w jakich zachodzi ich powstawanie, rozważa się także strukturę fulerenów i ich właściwości. Zakres ich zastosowania stale się poszerza. Okazało się, że znaczna ilość fulerenów zawarta jest w sadzy, która powstaje na elektrodach grafitowych w wyniku wyładowania łukowego. Nikt wcześniej nie widział tego faktu.

Kiedy w laboratorium uzyskano fulereny, w przyrodzie zaczęto znajdować cząsteczki węgla. W Karelii znaleziono je w próbkach szungitów, w Indiach i USA – w furulgitach. Cząsteczki węgla są również liczne i powszechne w meteorytach i osadach na dnie, które mają co najmniej sześćdziesiąt pięć milionów lat. Na Ziemi czyste fulereny mogą powstawać podczas wyładowań atmosferycznych oraz podczas spalania gazu ziemnego. przewożonych nad Morzem Śródziemnym badano w 2011 roku i okazało się, że fuleren był obecny we wszystkich pobranych próbkach – od Stambułu po Barcelonę. Właściwości fizyczne tej substancji powodują samoistne powstawanie. W przestrzeni kosmicznej odkryto także ogromne jego ilości – zarówno w postaci gazowej, jak i stałej.

Synteza

Pierwsze doświadczenia z izolacją fulerenów przeprowadzono poprzez pary grafitu skondensowanego, które otrzymano poprzez napromieniowanie laserowe próbek stałego grafitu. Udało się pozyskać jedynie śladowe ilości fulerenów. Dopiero w 1990 roku chemicy Huffman, Lamb i Kretschmer opracowali nową metodę ekstrakcji fulerenów w ilościach gramowych. Polegał on na spalaniu elektrod grafitowych łukiem elektrycznym w atmosferze helu i pod niskim ciśnieniem. Anoda uległa erozji, a na ściankach komory pojawiła się sadza zawierająca fulereny.

Następnie sadzę rozpuszczono w toluenie lub benzenie i w powstałym roztworze uwolniono gramy czystych cząsteczek C70 i C60. Stosunek - 1:3. Ponadto roztwór zawierał 2% ciężkich fulerenów wyższego rzędu. Pozostało teraz tylko dobrać optymalne parametry parowania – skład atmosfery, ciśnienie, średnicę elektrody, prąd itd., tak aby uzyskać jak najwyższy uzysk fulerenów. Stanowiły one około dwanaście procent samego materiału anodowego. Dlatego fulereny są tak drogie.

Produkcja

Wszystkie próby eksperymentatorów naukowych początkowo poszły na marne: nie znaleziono produktywnych i tanich metod produkcji fulerenów. Ani spalanie węglowodorów w płomieniu, ani synteza chemiczna nie przyniosły sukcesu. Najbardziej wydajna okazała się metoda łuku elektrycznego, pozwalająca uzyskać około jednego grama fulerenów na godzinę. Mitsubishi rozpoczęło produkcję przemysłową poprzez spalanie węglowodorów, ale ich fulereny nie są czyste – zawierają cząsteczki tlenu. A mechanizm powstawania samej tej substancji nadal pozostaje niejasny, ponieważ procesy spalania łukowego są wyjątkowo niestabilne z termodynamicznego punktu widzenia, co znacznie utrudnia rozważenie teorii. Jedynym niezaprzeczalnym faktem jest to, że fuleren gromadzi pojedyncze atomy węgla, czyli fragmenty C2. Jednak nie powstał jasny obraz powstawania tej substancji.

O wysokim koszcie fulerenów decyduje nie tylko niska wydajność spalania. Izolacja, oczyszczanie, oddzielanie fulerenów o różnej masie od sadzy – wszystkie te procesy są dość złożone. Dotyczy to zwłaszcza rozdziału mieszaniny na oddzielne frakcje molekularne, który przeprowadza się za pomocą chromatografii cieczowej na kolumnach i pod wysokim ciśnieniem. Na ostatnim etapie z już stałego fulerenu usuwa się pozostały rozpuszczalnik. W tym celu próbkę utrzymuje się w warunkach dynamicznej próżni w temperaturach do dwustu pięćdziesięciu stopni. Ale plusem jest to, że podczas opracowywania fulerenu C 60 i jego produkcji w makro ilościach chemia organiczna nabyła niezależną gałąź - chemię fulerenów, która stała się niezwykle popularna.

Korzyść

Pochodne fulerenów znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach techniki. Folie i kryształy fulerenów to półprzewodniki wykazujące fotoprzewodnictwo pod wpływem napromieniowania optycznego. Kryształy C60 domieszkowane atomami metali alkalicznych przechodzą w stan nadprzewodnictwa. Roztwory fulerenów mają nieliniowe właściwości optyczne, dlatego mogą być podstawą przesłon optycznych, niezbędnych do ochrony przed intensywnym promieniowaniem. Fuleren jest również stosowany jako katalizator w syntezie diamentów. Fulereny są szeroko stosowane w biologii i medycynie. Działają trzy właściwości tych cząsteczek: lipofilowość, która decyduje o membranotropowości, niedobór elektronów, który daje zdolność do oddziaływania z wolnymi rodnikami, a także zdolność do przenoszenia własnego stanu wzbudzonego na zwykłą cząsteczkę tlenu i przekształcania tego tlenu w podkoszulek.

Takie aktywne formy substancji atakują biomolekuły: kwasy nukleinowe, białka, lipidy. Reaktywne formy tlenu są stosowane w terapii fotodynamicznej w leczeniu raka. Fotouczulacze wprowadzane są do krwi pacjenta, wytwarzając reaktywne formy tlenu – same fulereny lub ich pochodne. Przepływ krwi w guzie jest słabszy niż w zdrowych tkankach, dlatego gromadzą się w nim fotosensybilizatory, a po ukierunkowanym napromienianiu cząsteczki ulegają wzbudzeniu, wytwarzając reaktywne formy tlenu. komórki nowotworowe ulegają apoptozie, a guz ulega zniszczeniu. Ponadto fulereny mają właściwości przeciwutleniające i zatrzymują reaktywne formy tlenu.

Fuleren zmniejsza aktywność integrazy HIV, białka odpowiedzialnego za integrację wirusa z DNA, interakcję z nim, zmianę jego konformacji i pozbawianie go głównej szkodliwej funkcji. Niektóre pochodne fulerenów oddziałują bezpośrednio z DNA i zakłócają działanie restyktaz.

Więcej o medycynie

W 2007 roku zaczęto stosować rozpuszczalne w wodzie fulereny jako środki przeciwalergiczne. Badania przeprowadzono na komórkach ludzkich i krwi narażonych na działanie pochodnych fulerenów – C60(NEt)x i C60(OH)x. W eksperymentach na organizmach żywych – myszach – wyniki były pozytywne.

Już teraz substancja ta wykorzystywana jest jako wektor dostarczania leków, gdyż woda z fulerenami (pamiętajcie o hydrofobowości C 60) bardzo łatwo przenika przez błonę komórkową. Przykładowo erytropoetyna wprowadzona bezpośrednio do krwi ulega degradacji w znacznych ilościach, a jeśli zostanie zastosowana razem z fulerenami, jej stężenie wzrasta ponad dwukrotnie i dlatego przedostaje się do komórki.