• Vízellátás
• Szivattyúk
• Víz tisztítás
• kutak
• Szűrők

Fullerén adott esetben. Fullerének: a felfedezés története és tulajdonságai. Fullerén, mint anyag a félvezető technológiához

A fullerének előállításának leghatékonyabb módja a grafit hőbontása. A grafit mérsékelt hevítésével az egyes grafitrétegek közötti kötés megszakad, de a párolgó anyag nem bomlik le egyedi atomokra. Ebben az esetben az elpárolgott réteg különálló töredékekből áll, amelyek hatszögek kombinációja. Ezek a fragmentumok alkotják a C60 molekulát és más fulleréneket. A fullerének előállítása során a grafit lebontásához a grafitelektróda rezisztív és nagyfrekvenciás melegítését, a szénhidrogének elégetését, a grafit felületének lézeres besugárzását, a grafit fókuszált napsugárral történő elpárologtatását használják. Ezeket a folyamatokat puffergázban hajtják végre, amely általában hélium. A fullerének előállításához leggyakrabban ívkisülést használnak grafitelektródákkal hélium atmoszférában. A hélium fő szerepe a nagyfokú rezgésgerjesztéssel rendelkező fragmentumok hűtéséhez kapcsolódik, ami megakadályozza, hogy stabil szerkezetekké egyesüljenek. Az optimális héliumnyomás 50-100 Torr.
A módszer alapja egyszerű: két grafitelektróda között elektromos ívet gyújtanak meg, amelyben az anód elpárolog. A reaktor falán korom rakódik le, amely 1-40% fulleréneket tartalmaz (a geometriai és technológiai paraméterektől függően). Fullerén tartalmú koromból fullerének kinyerésére elválasztást és tisztítást, folyadékextrakciót és oszlopkromatográfiát alkalmaznak. Az első szakaszban a kormot nem poláros oldószerrel (toluol, xilol, szén-diszulfid) kezelik. Az extrakció hatékonyságát Soxhlet készülék vagy ultrahangos kezelés biztosítja. A képződött fullerének oldatot szűréssel és centrifugálással elválasztják a csapadéktól, az oldószert ledesztillálják vagy bepárolják. A szilárd csapadék az oldószer által különböző mértékben szolvatált fullerének keverékét tartalmazza. A fullerének egyedi vegyületekre történő szétválasztását oszlopos folyadékkromatográfiával vagy nagynyomású folyadékkromatográfiával végezzük. Az oldószer maradékának teljes eltávolítását a szilárd fullerén mintából úgy hajtjuk végre, hogy 150-250 °C hőmérsékleten tartjuk dinamikus vákuum körülmények között több órán keresztül. A tisztaság további növelése a tisztított minták szublimálásával érhető el.
A fullerének és fulleritek gyakorlati felhasználásának kilátásai
A fullerének felfedezése már a szilárdtestfizika és -kémia (sztereokémia) új ágainak létrejöttéhez vezetett. A fullerének és származékaik biológiai aktivitását aktívan tanulmányozzák. Kimutatták, hogy ennek az osztálynak a képviselői képesek gátolni a különböző enzimeket, a DNS-molekulák specifikus hasítását okozzák, elősegítik az elektronok átvitelét a biológiai membránokon keresztül, és aktívan részt vesznek a szervezet különböző redox folyamataiban. Megkezdődött a fullerének metabolizmusának vizsgálata, különös figyelmet fordítanak a vírusellenes tulajdonságokra. Kimutatták, hogy egyes fullerén-származékok képesek gátolni az AIDS-vírus proteázát. Széles körben vitatják a fullerének radioaktív izotópokkal alkotott, vízben oldódó endoédervegyületein alapuló rákellenes gyógyszerek létrehozásának ötletét. De itt elsősorban a fullerén anyagok mérnöki és elektronikai felhasználásának kilátásait fogjuk érinteni.
Szuperkemény anyagok és gyémántok beszerzésének lehetősége.
Nagy reményeket fűznek azokhoz a kísérletekhez, amelyek a részleges sp^3 hibridizációval rendelkező fullerént a grafitot helyettesítő alapanyagként használják a műszaki felhasználásra alkalmas gyémántok szintézisében. Japán kutatók, akik a nyomásnak a fullerénre gyakorolt ​​hatását vizsgálták 8-53 GPa tartományban, kimutatták, hogy a fullerén-gyémánt átmenet 16 GPa nyomáson és 380 K hőmérsékleten kezdődik, ami jóval alacsonyabb, mint a grafit-gyémánt átmenetnél. . Megmutatták a nagy (600-800 µm-es) gyémántok előállításának lehetőségét 1000°C hőmérsékleten és 2 GPa nyomásig. A nagy gyémántok kibocsátása ebben az esetben elérte a 33 tömeget. %. Az 1331 cm^-1 frekvenciájú Raman-szórási vonalak szélessége 2 cm^-1 volt, ami a kapott gyémántok kiváló minőségét jelzi. Szuperkemény nyomással polimerizált fullerit fázisok előállításának lehetőségét is aktívan tanulmányozzák.
Fullerének, mint prekurzorok a gyémántfilmek és a szilícium-karbid növekedéséhez.
A nagy hézagú félvezetők, például a gyémánt és a szilícium-karbid fóliái ígéretesek a magas hőmérsékletű, nagy sebességű elektronikában és az optoelektronikában, beleértve az ultraibolya tartományt is. Az ilyen eszközök költsége a széles hézagú filmkémiai leválasztási (CVD) módszerek kidolgozásától és ezeknek a módszereknek a szabványos szilíciumtechnológiával való kompatibilitásától függ. A gyémántfilmek növekedésének fő problémája az, hogy a reakciót előnyben részesítsék az sp^3 fázis képződési útvonala mentén, és nem az sp^2. Hatékonynak tűnik a fullerének felhasználása két irányban: növelni kell a gyémánt gócképző központok képződési sebességét a szubsztrátumon, és megfelelő "építőelemként" kell használni a gázfázisú gyémánttermesztéshez. Kimutatták, hogy a C60 széttöredezése C2-vé történik mikrohullámú kisülés során, amelyek alkalmas anyagok gyémántkristályok növekedésére. A MER Corporation kiváló minőségű, 0,6 µm/h növekedési sebességű gyémántfilmeket készített fullerének felhasználásával növekedési és gócképző prekurzorként. A szerzők azt jósolják, hogy ez a magas növekedési ütem jelentősen csökkenti a CVD-gyémántok költségeit. Jelentős előnye, hogy a fullerének megkönnyítik a rácsparaméter-illesztési folyamatokat a heteroepitaxia során, ami lehetővé teszi az IR anyagok szubsztrátként történő felhasználását. A jelenleg létező szilícium-karbid-gyártási eljárások 1500 °C-ig terjedő hőmérséklet alkalmazását teszik szükségessé, ami rosszul kompatibilis a szabványos szilíciumtechnológiával. Fullerének használatával azonban szilícium-karbid állítható elő úgy, hogy egy szilícium hordozóra C60 filmet viszünk fel további lágyítással 800–900 °C-ot meg nem haladó hőmérsékleten, 0,01 nm/s növekedési sebességgel Si hordozón.
Mivel a fullerének a szén nanorészecskék stabil formája, a műszaki egykristályok és filmek egységes tulajdonságait biztosítják.
Fullerének, mint litográfiai anyag.
A lézer- vagy elektronsugár hatására polimerizálódó és szerves oldószerekben oldhatatlan fázist képező képességük miatt ígéretes a szubmikron litográfiához való rezisztként való felhasználásuk. Ugyanakkor a fullerén fóliák jelentős melegítéssel bírnak, nem szennyezik az aljzatot, és lehetővé teszik a száraz fejlődést.
Fullerének, mint új anyagok a nemlineáris optikához.
Fullerén tartalmú anyagok (oldatok, polimerek, erősen nemlineáris optikai tulajdonságú folyadékok ígéretesek az intenzív lézersugárzás optikai korlátozójaként (csillapítójaként); fotorefraktív közegek dinamikus hologramok rögzítésére; frekvenciaváltók; fáziskonjugációs eszközök. A legtöbbet vizsgált terület a optikai teljesítménykorlátozók létrehozása a C60 oldatai és szilárd oldatai alapján A nemlineáris átviteli korlátozás hatása kb. 0,2-0,5 J/cm^2-nél kezdődik, a telített optikai átvitel szintje 0,1-0,12 J/cm2-nek felel meg. az oldatban növekszik, az energiasűrűség határértéke csökken, például ha egy 10 mm-es mintában lévő úthossz (kollimált nyaláb) és a toluolos C60-oldat koncentrációja 1*10^-4, 1,65*10^-4 , és 3,3*10^-4 M, az optikai limiter telített átvitele 320, 165 és 45 mJ/cm2-nek bizonyult. Megmutattuk, hogy 532 nm hullámhosszon különböző t impulzusidőtartamok mellett (500 fs, 5 ps, 10 ns), a nemlineáris optikai korlát 2, 9 és 60 mJ/cm^2 energiasűrűségnél jelenik meg. Nagy bemeneti energiasűrűségnél (több mint 20 J/cm^2) a gerjesztett szinttől való nemlineáris telített abszorpció hatása mellett a mintában sugárdefókuszálás figyelhető meg, ami nemlineáris abszorpcióval, a minta növekedésével jár. hőmérséklet és a törésmutató változása a nyaláb áthaladási tartományában. Magasabb fullerének esetén az abszorpciós spektrum széle hosszabb hullámhosszra tolódik el, ami lehetővé teszi n = 1,064 μm optikai korlát elérését. Szilárdtest optikai limiter létrehozásához elengedhetetlen, hogy fulleréneket vigyünk be egy szilárdtest mátrixba, miközben a molekula egészét megtartjuk és homogén szilárd oldatot képezünk. Ezenkívül olyan mátrixot kell kiválasztani, amely nagy sugárzásállósággal, jó átlátszósággal és jó optikai minőséggel rendelkezik. Szilárdtest-mátrixként polimereket és üveges anyagokat használnak. Beszámoltak C60 szilárd SiO2-oldatának sikeres előállításáról szol-gél technológia alkalmazásával. A minták optikai határa 2-3 mJ/cm^2 volt, a károsodási küszöbük pedig több mint 1 J/sv^2. Leírnak egy polisztirol mátrixon lévő optikai korlátozót is, és bemutatják, hogy ebben az esetben az optikai korlátozó hatása 5-ször jobb, mint az oldatban lévő C60 esetében. Amikor fulleréneket visznek be a lézerfoszfát üvegekbe, kimutatták, hogy a C60 és C70 fullerének a poharakban nem pusztulnak el, és a fullerénekkel adalékolt üvegek mechanikai szilárdsága nagyobb, mint a tiszta üvegeké. A sugárzási teljesítmény nemlineáris-optikai korlátozásának érdekes alkalmazása a fullerének alkalmazása a lézerüregben a tüskerendszer elnyomására az üzemmódok önreteszelése során. A fulleréneket tartalmazó közeg nagyfokú nemlinearitása bistabil elemként használható impulzuskompresszióhoz nanoszekundumos időtartamú tartományban. A pi-elektron rendszerek jelenléte a fullerének elektronszerkezetében, mint ismeretes, nagy nemlineáris szuszceptibilitáshoz vezet, ami arra utal, hogy hatékony harmadik felharmonikus generátorokat lehet létrehozni. Az x(3) nemlineáris szuszceptibilitási tenzor zérustól eltérő összetevőinek jelenléte szükséges feltétele a harmadik harmonikus generálási folyamat megvalósításának, de gyakorlati használatához több tíz százalékos hatásfokkal szükséges fázisillesztés a közegben. Hatékony generálás érhető el réteges struktúrákban a kölcsönható hullámok kvázi fázisillesztésével. A fullerén tartalmú rétegek vastagsága megegyezzen a koherens kölcsönhatás hosszával, az őket gyakorlatilag nulla köbös szuszceptibilitású elválasztó rétegek pedig olyan vastagságúak legyenek, hogy az alapfrekvencia és a harmadik harmonikus sugárzása között pi fáziseltolódást biztosítson.
Fullerének, mint új félvezető és nanoszerkezeti anyagok.
A fulleritek, mint félvezetők körülbelül 2 eV-os sávszélességgel, felhasználhatók térhatású tranzisztorok, fotovoltaikus eszközök, napelemek készítésére, és van példa ilyen felhasználásra. Paramétereikben azonban aligha vehetik fel a versenyt a hagyományos Si- vagy GaAs-alapú fejlett technológiájú készülékekkel. Sokkal ígéretesebb a fullerén molekula kész nanoméretű objektumként való felhasználása nanoelektronikai eszközök és új fizikai elveken alapuló eszközök létrehozására. Egy fullerén molekula például előre meghatározott módon elhelyezhető egy szubsztrát felületén pásztázó alagút (STM) vagy atomerő (AFM) mikroszkóp segítségével, és információrögzítési módszerként használható. Az információ olvasásához a felületet ugyanazzal a szondával szkenneljük. Ugyanakkor 1 bit információ egy 0,7 nm átmérőjű molekula jelenléte vagy hiánya, amely lehetővé teszi az információrögzítés rekordsűrűségének elérését. Ilyen kísérleteket végeznek Bellnél. Az ígéretes memóriaeszközök számára érdekesek a ritkaföldfémek, például a terbium, gadolínium és diszprózium endoéder komplexei, amelyek nagy mágneses momentumokkal rendelkeznek. Az ilyen atomot tartalmazó fullerénnek mágneses dipólus tulajdonságaival kell rendelkeznie, amelynek orientációja külső mágneses térrel szabályozható. Ezek a komplexek (egyrétegű film formájában) akár 10^12 bit/cm^2 rögzítési sűrűségű mágneses adathordozó alapjául is szolgálhatnak (összehasonlításképpen, az optikai lemezek felületi rögzítési sűrűséget tudnak elérni 10^8 bit/cm^2).
Fizikai elveket dolgoztak ki egyetlen fullerén molekulán alapuló tranzisztor analógjának létrehozására, amely erősítőként szolgálhat a nanoamper tartományban. A C60 molekula egyik oldalán kétpontos nanokontaktusok találhatók körülbelül 1-5 nm távolságra. Az egyik elektróda a forrás, a másik a lefolyó szerepét tölti be. A harmadik elektróda (rács) egy kis piezoelektromos kristály, és a molekula másik oldalán van der Waals távolságra kerül. A bemeneti jel a piezoelektromos elemre (csúcsra) kerül, amely deformálja az elektródák - forrás és lefolyó között elhelyezkedő molekulát, és modulálja az intramolekuláris átmenet vezetőképességét. A molekuláris áram áramlási csatorna átlátszósága a fém hullámfüggvényeinek elmosódásának mértékétől függ a fullerén molekula tartományában. Ennek a tranzisztor-effektusnak egy egyszerű modellje egy alagútgát, amelynek magasságát a szélességétől függetlenül modulálják, azaz a C60 molekulát természetes alagútgátként használják. Egy ilyen elem feltételezett előnye az elektronok kis mérete és nagyon rövid repülési ideje alagút üzemmódban a ballisztikus esethez képest, így az aktív elem gyorsabb reakciója. Az integráció lehetőségét, azaz C60 molekulánként egynél több aktív elem létrehozását fontolgatják.

1985-ben felfedeztek egy 60 szénatomból álló molekulát, amely futball-labdaszerűen elrendeződött - a fullerént, amelyet Richard Fuller mérnökről neveztek el, aki éppen ilyen formájú tervekről vált híressé. Elképesztően szimmetrikus alakja mellett ez a molekula, amely a szén harmadik (a gyémánt és grafit után) allotróp formája, az alkimisták bölcsek kövének bizonyult.

Egészen a közelmúltig nem szűnik meg lenyűgözni a tudósokat rendkívül alacsony toxicitásával (különösen a nanocsövekhez hasonlóval) és más elképesztő tulajdonságaival. A fullerének sejtekkel való kölcsönhatásának mechanizmusa még nem tisztázott, de az eredményt valóban varázslatnak nevezhetjük.

Íme egy korántsem teljes lista azon tulajdonságokról, amelyek érdekelték az orvosokat és a biológusokat. Fullerén és származékai használhatók:

• a test védelme a sugárzástól és az ultraibolya sugárzástól;
• vírusok és baktériumok elleni védelem;
• az allergia elleni védelem érdekében. Így az in vivo kísérletekben a fullerén-származékok bejuttatása gátolja az anafilaxiát egerekben, és nem figyeltek meg toxikus hatást;
• mint az immunrendszert serkentő anyag;
• erős antioxidánsként, mert aktív gyökfogó. A fullerén antioxidáns hatása összemérhető az SkQ osztályba tartozó antioxidánsok ("Skulachev-ionok") hatásával, és 100-1000-szer magasabb, mint a hagyományos antioxidánsoké, mint például az E-vitamin, butil-hidroxitoluol, β-karotin;
• mint gyógyszerek a rák elleni küzdelemben;
• angiogenezis gátlására;
• az agy védelme az alkohollal szemben;
• az idegek növekedésének serkentésére;
• a bőr regenerációs folyamatainak serkentésére. Így a fullerén a GRS és a CEFINE kozmetikai fiatalító szerek fontos összetevője;
• a haj növekedésének serkentésére;
• amiloidellenes gyógyszerként.

Ezenkívül a fullerén felhasználható különféle gyógyszerek sejtbe juttatására, valamint genetikai vektorok nem vírusos bejuttatására a sejtmagba.

Úgy tűnik, hogy ezt a listát tovább lehetne bővíteni, de a közelmúltban egy újabb, talán a legcsodálatosabb és legérthetetlenebb minőségű C60 fullerénnel bővült. Az olívaolajban oldott C60 fullerén toxicitását vizsgáló vizsgálat során francia kutatók azt találták, hogy a rendszeresen C60 fullerén oldattal táplált patkányok tovább élnek, mint azok, akik csak olívaolajat vagy normál étrendet kapnak. (Rövid átbeszélés található az „Olívaolaj fullerénekkel – a fiatalság elixírje?” – VM.) cikkben.

Az olajban való feloldódás meredeken növeli a C60 fullerén hatékonyságát, mivel nagy aggregátumai (16 vagy több molekula) nem képesek behatolni a sejtekbe.

Ugyanakkor a várható élettartam nem 20-30%-kal nőtt, mint a legjobb "időskori gyógyszerekkel" (például rezveratrol vagy rapamicin) végzett kísérletekben, de legalább kétszer! A fullerénnel kezelt állatok fele 60 hónapig élt (a legidősebb patkány 5,5 évig). Ugyanakkor a kontrollcsoportban (normál étrend mellett) az állatok 50%-ának várható élettartama 30 hónap volt, a legidősebbek pedig csak 37 hónapig éltek. A fullerénmentes olívaolajjal kezelt állatok valamivel tovább éltek – 50%-uk 40 hónapig, a legidősebb patkány pedig 58 hónapig élt.

A kezelt patkányok túlélési diagramja: normál étrenddel (kék vonal), a diétán kívül olívaolajjal (piros) és olívaolajjal, amelyben C60 fullerén van feloldva (fekete vonal). Rajz a .

A C60 fullerén éltető hatását a cikk szerzői antioxidáns tulajdonságainak tulajdonítják. Lehetséges azonban, hogy összefüggésbe hozható a C60 fullerén azon képességével, hogy kölcsönhatásba lép az A-vitaminnal. Ismeretes, hogy a retinoidok (beleértve az A-vitamint is) fontos szerepet játszanak az immunrendszer kulcsgénjeinek expressziójában, és úgy tűnik, hogy a retinoidok lokális szintézise kulcsszerepet játszik az embriogenezis és a regeneráció szabályozásában.

Sajnos ezeket a kísérleteket kis állatcsoportokon végezték, ezért alapos ellenőrzést igényelnek. Tekintettel arra a tényre, hogy az Oroszországban gyártott tisztított C60 fullerén grammonként csak körülbelül 1800 rubelt fizet, nem olyan nehéz megismételni ezeket a kísérleteket, tisztázni az adagokat és a „kezelés” időtartamát. A másik nehezebb. Vajon ez az „időskori terápia” ugyanolyan hatékony lesz az emberek számára? Végtére is, az emberek nem patkányok, és több tucat példa van egy olyan gyógyszerre, amely nagyon hatékony az egereken végzett kísérletekben, és teljesen haszontalannak bizonyult (ha nem káros!) Amikor a kísérletek átkerültek a klinikára. Nos, majd az idő eldönti. Érdekes lenne összehasonlítani a C60 fullerén élettartam-meghosszabbító hatását számos, Oroszországban nemrégiben szintetizált vízoldható analógjával.

Az eredeti cikk alapján.

Irodalom

1. A.V. Jeletszkij, B.M. Szmirnov. (1993). Fullerének. UFN 163 (2. sz.), 33–60;
2. Mori T. et al. (2006). Preklinikai vizsgálatok a fullerén biztonságosságáról akut orális adagolás esetén és értékelés a mutagenezis hiányára vonatkozóan. Toxicology 225, 48–54;
3. Szwarc H, Moussa F. (2011). A 60fullerén toxicitása: zavartság a tudományos irodalomban. J. Nanosci. Lett. 1, 61–62;
4. biomolekula: "Láthatatlan határ: ahol a "nano" és a "bio" ütközik";
5. Marega R., Giust D., Kremer A., ​​Bonifazi D. (2012). Fullerének és szén nanocsövek szupramolekuláris kémiája a határfelületeken: az alkalmazások felé. Supramolecular Chemistry of Fullerenes and Carbon Nanotubes (szerk.: N. Martin és J.-F. Nierengarten), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Németország;
6. Piotrovsky L.B. (2010). A nanomedicina a nanotechnológiák része. Vestnik RAMN 3, 41–46;
7. Theriot C.A., Casey R.C., Moore V.C., Mitchell L., Reynolds J.O., Burgoyne M. és társai. (2010). A Dendrofullerene DF-1 sugárvédelmet biztosít a sugárérzékeny emlőssejtek számára. Sugárzás. Environ. Biophys. 49, 437-445;
8. Andrievsky G.V., Bruskov V.I., Tykhomyrov A.A., Gudkov S.V. (2009). Hidratált C60 fullerén nanostruktúrák antioxidáns és sugárvédő hatásának sajátosságai in vitro és in vivo. Szabad gyök. Biol. Med. 47, 786-793;
9. Mashino T., Shimotohno K., Ikegami N. és munkatársai. (2005). Fullerén származékok humán immundeficiencia vírus reverz transzkriptáz gátlása és hepatitis C vírus RNS-függő RNS polimeráz gátlása. Bioorg. Med. Chem. Lett. 15, 1107–1109;
10. Lu Z.S., Dai T.H., Huang L.Y. és munkatársai. (2010). A kationos funkcionalizált fullerénnel végzett fotodinamikus terápia megmenti az egereket a halálos sebfertőzésektől. Nanomedicina 5, 1525–1533;
11. John J. R., Bateman H. R., Stover A., ​​Gomez G., Norton S. K., Zhao W. és társai. (2007). A fullerén nanoanyagok gátolják az allergiás reakciót. J. Immunol. 179, 665-672;
12. Xu Y.Y., Zhu J.D., Xiang K., Li Y.K., Sun R.H., Ma J. et al. (2011). A 60 fullerén-tuftsin konjugátumok szintézise és immunmoduláló aktivitása. Biomaterials 32, 9940–9949;
13. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. (2005). A fullerén erőteljes antioxidáns in vivo, akut vagy szubakut toxicitás nélkül. Nano Lett. 5, 2578–2585;
14. Chen Z., Ma L., Liu Y., Chen C. (2012). A funkcionalizált fullerének alkalmazásai a tumorterápiában. Theranostics 2, 238-250;
15. Jiao F., Liu Y., Qu Y. et al. (2010). A fullerenol daganatellenes és metasztatikus hatásainak vizsgálata egér mellrák modellben. Carbon 48, 2231–2243;
16. Meng H., Xing G.M., Sun B.Y., Zhao F., Lei H., Li W. és munkatársai. (2010). Erőteljes angiogenezis-gátlás a fullerén-származékok szemcsés formájával. ACS Nano, 4, 2773–2783;
17. Tykhomyrov A.A., Nedzvetsky V.S., Klochkov V.K., Andrievsky G.V. (2008). A hidratált C60 fullerén (C60HyFn) nanoszerkezetei megvédik a patkányok agyát az alkohollal szemben, és enyhítik az alkoholizált állatok viselkedési zavarait. Toxicology 246, 158–165;
18. Grigorjev V.V., Petrova L.N., Ivanova T.A. és társai. és Bachurin S.O. (2011). C60 fullerén alapú hibrid szerkezetek neuroprotektív hatásának vizsgálata. Izv. RAS Biological series 2, 163–170;
19. Zhou Z.G., Lenk R., Dellinger A., ​​MacFarland D., Kumar K., Wilson S.R. és társai. (2009). A fullerén nanoanyagok fokozzák a hajnövekedést. nanomed. Nanotechnol. Biol. Med. 5, 202–207;
20. Bobylev A.G., Kornev A.B., Bobyleva L.G., Shpagina M.D., Fadeeva I.S., Fadeev R.S. és mások. (2011). Fullerenolátok: fémezett polihidroxilezett fullerének erős antiamiloid aktivitással. Org. Biomol. Chem. 9, 5714–5719;
21. biomolekula: "A jövő nanomedicina: transzdermális bejuttatás nanorészecskékkel";
22. Montellano A., Da Ros T., Bianco A., Prato M. (2011). Fullerene C(60) mint multifunkcionális rendszer a gyógyszer- és génszállításhoz. Nanoscale 3, 4035–4041;
23. Kuznetsova S.A., Oretskaya T.S. (2010). Nanotranszport rendszerek a nukleinsavak célzott szállításához a sejtekbe. Orosz nanotechnológiák 5. (9–10. sz.), 40–52.;
24. Baati T., Bourasset F., Gharb N. és mtsai. (2012) Patkányok élettartamának meghosszabbítása 60 fullerén ismételt orális adagolásával. Biomaterials 33, 4936–4946;
25. Piotrovsky L.B., Eropkin M.Yu., Eropkina E.M., Dumpis M.A., Kiselev O.I. (2007). A fullerének biológiai hatásának mechanizmusai - az aggregáció állapotától való függés. Pszichofarmakológia és Biológiai Narkológia 7 (2. sz.), 1548–1554;
26. Moussa F., Roux S., Pressac M., Genin E., Hadchouel M., Trivin F. és munkatársai. (1998). In vivo reakció 60fullerén és A-vitamin között egérmájban. New J. Chem. 22, 989–992;
27. Linney E., Donerly S., Mackey L., Dobbs-McAuliffe B. (2001). A retinsav receptorok negatív oldala. Neurotoxicol Teratol. 33, 631-640;
28. Gudas L.J. (2012). A retinoidok újszerű szerepei a regenerációban és a differenciálódásban normál és betegségben. Biochim Biophys Acta 1821, 213–221.

"Örök Ifjúság" portál

A fullerének felfedezését - a Föld egyik leggyakoribb elemének, a szénnek az új létezési formáját - a 20. század egyik legcsodálatosabb és legfontosabb felfedezésének tartják a tudományban. A szénatomok régóta ismert egyedülálló képessége ellenére, hogy bonyolult, gyakran elágazó és terjedelmes molekulaszerkezetekké kötődjenek, amely minden szerves kémia alapját képezi, az a tényleges lehetőség, hogy egyetlen szénatomból stabil vázmolekulákat képezzenek, váratlannak bizonyult. 1985-ben történt kísérleti megerősítés, hogy a természetben a természetben előforduló folyamatok során ilyen típusú, legalább 60 atomból álló molekulák keletkezhetnek. És jóval ezt megelőzően egyes szerzők a zárt széngömbbel rendelkező molekulák stabilitását feltételezték. Ezek a feltételezések azonban tisztán spekulatívak, pusztán elméletiek voltak. Meglehetősen nehéz volt elképzelni, hogy ilyen vegyületeket kémiai szintézissel elő lehet állítani. Ezért ezek a munkák észrevétlenek maradtak, és csak utólag, a fullerének kísérleti felfedezése után figyeltek rájuk. Egy új szakasz kezdődött 1990-ben, amikor egy módszert találtak új vegyületek grammos mennyiségben történő előállítására, és egy módszert írtak le a fullerének tiszta formában történő izolálására. Nem sokkal ezután meghatározták az ismert fullerének közül a legkönnyebben képződő C 60 fullerén legfontosabb szerkezeti és fizikai-kémiai jellemzőit. Felfedezésükért - a C 60 és C 70 összetételű szénklaszterek felfedezéséért - R. Kerl, R. Smalley és G. Kroto 1996-ban kémiai Nobel-díjat kapott. Javasolták a fullerén C 60 szerkezetét is, amelyet minden futballrajongó ismer.

Mint tudják, egy futballlabda héja 12 ötszögből és 20 hatszögből áll. Elméletileg 12 500 kettős és egyszeres kötés elrendezése lehetséges. A legstabilabb izomer (az ábrán látható) csonka ikozaéder szerkezetű, amelyből hiányoznak a kettős kötések az ötszögekben. Ez a C 60 izomer a "Buckminsterfullerene" nevet kapta a híres építész, R. Buckminster Fuller tiszteletére, aki olyan szerkezeteket hozott létre, amelyek kupolás kerete ötszögekből és hatszögekből épül fel. Hamarosan egy olyan szerkezetet javasoltak a C 70-hez, amely egy rögbilabdára emlékeztet (hosszas alakú).

A szénvázban a C atomokat sp 2 hibridizáció jellemzi, minden szénatom három szomszédos atomhoz kapcsolódik. A 4-es vegyérték az egyes szénatomok és az egyik szomszédja közötti p-kötéseken keresztül valósul meg. Természetesen feltételezzük, hogy a p-kötések delokalizálhatók, mint az aromás vegyületekben. Ilyen struktúrák n≥20-ra építhetők bármilyen páros klaszterre. Tartalmazniuk kell 12 ötszöget és (n-20)/2 hatszöget. Az elméletileg lehetséges C 20 fullerének közül a legalacsonyabb nem más, mint egy dodekaéder – az öt szabályos poliéder egyike, amelyben 12 ötszögletű lap van, és egyáltalán nincs hatszögletű lap. Egy ilyen alakú molekula rendkívül megfeszített szerkezetű lenne, ezért létezése energetikailag kedvezőtlen.

Így stabilitás szempontjából a fullerének két típusra oszthatók. A köztük lévő határ lehetővé teszi, hogy megrajzoljuk az ún. az elszigetelt ötszögek szabálya (Isolated Pentagon Rule, IPR). Ez a szabály kimondja, hogy a legstabilabb fullerének azok, amelyekben egyetlen ötszögpárnak sincs szomszédos éle. Más szóval, az ötszögek nem érintik egymást, és minden ötszöget öt hatszög vesz körül. Ha a fullerének az n szénatomok számának növekedése szerint vannak elrendezve, akkor a Buckminsterfullerene - C 60 az első olyan képviselő, amely megfelel az izolált ötszögek szabályának, és a C 70 a második. Az n>70-es fullerénmolekulák között mindig van egy IPR hatálya alá tartozó izomer, és az ilyen izomerek száma gyorsan növekszik az atomok számával. 5 izomert találtunk a C 78-hoz, 24-et a C84-hez és 40-et a C90-hez. Azok az izomerek, amelyeknek szerkezetükben szomszédos ötszögek vannak, lényegesen kevésbé stabilak.

Fullerének kémiája

Jelenleg a tudományos kutatások túlnyomó része a fullerének kémiájához kapcsolódik. Több mint 3 ezer új vegyületet szintetizáltak már fullerének alapján. A fullerének kémiájának ilyen gyors fejlődése ennek a molekulának a szerkezeti jellemzőivel és a zárt széngömbön található nagyszámú kettős konjugált kötés jelenlétével függ össze. A fullerén számos ismert anyagosztály képviselőjével való kombinációja lehetőséget teremtett a szintetikus vegyészek számára e vegyület számos származékának előállítására.

A benzollal ellentétben, ahol a C-C kötések hossza azonos, a fullerénekben "kettős" és "egyszeri" jellegű kötések különböztethetők meg, és a kémikusok a fulleréneket gyakran elektronhiányos poliénrendszernek tekintik, nem pedig aromás molekuláknak. Ha rátérünk a С60-ra, akkor kétféle kötést tartalmaz: rövidebb (1,39 Å) kötéseket, amelyek a szomszédos hatszöglapok közös élei mentén futnak, és hosszabb (1,45 Å) kötéseket, amelyek az öt- és hatszöglapok közös élei mentén helyezkednek el. Ugyanakkor sem a hattagú, sem pedig még inkább az öttagú gyűrűk nem mutatnak aromás tulajdonságokat abban az értelemben, ahogyan azt a benzol vagy más sík konjugált molekulák mutatják, amelyek megfelelnek Hückel szabályának. Ezért a C 60 rövidebb kötéseit általában kettősnek, míg a hosszabbakat egyszeresnek tekintjük. A fullerének egyik legfontosabb jellemzője, hogy szokatlanul sok ekvivalens reakciócentrummal rendelkeznek, ami gyakran a reakciótermékek összetett izomer összetételéhez vezet részvételükkel. Ennek eredményeként a fullerénekkel végzett legtöbb kémiai reakció nem szelektív, és az egyes vegyületek szintézise nagyon nehéz.

A szervetlen fullerén-származékok előállítására szolgáló reakciók közül a legfontosabbak a halogénezési eljárások és a legegyszerűbb halogénszármazékok előállítása, valamint a hidrogénezési reakciók. Így ezek a reakciók az elsők között voltak, amelyeket fullerén C 60-nal hajtottak végre 1991-ben. Nézzük meg a főbb reakciótípusokat, amelyek ezeknek a vegyületeknek a kialakulásához vezettek.

Közvetlenül a fullerének felfedezése után nagy érdeklődést váltott ki azok hidrogénezésének lehetősége „fulleránok” képződésével. Kezdetben lehetségesnek tűnt hatvan hidrogénatom hozzáadása a fullerénhez. Ezt követően elméleti munkákban kimutatták, hogy a C 60 H 60 molekulában a hidrogénatomok egy részének a fullerén szférán belül kell lennie, mivel a hattagú gyűrűknek a ciklohexán molekulákhoz hasonlóan a „szék” vagy „fürdő” konformációt kell felvenniük. . Ezért a jelenleg ismert polihidrofullerén molekulák 2-36 hidrogénatomot tartalmaznak a fullerén C 60 esetében és 2-8 hidrogénatomot a fullerén C 70 esetében.

A fullerének fluorozása során a C 60 F n vegyületek teljes halmazát találták, ahol n páros értéket vesz fel 60-ig. Az 50-60 n értékű fluorszármazékokat perfluoridoknak nevezik, és tömegspektroszkópiával a fluorozási termékek között találták őket. rendkívül alacsony koncentrációban. Vannak hiperfluoridok is, azaz C 60 F n , n>60 összetételű termékek, ahol a fullerén szénketrec részben elpusztul. Feltételezhető, hogy ez a perfluoridokban is megtörténik. A különféle összetételű fullerén-fluoridok szintézisének kérdései független, legérdekesebb probléma, amelynek tanulmányozását a Moszkvai Állami Egyetem Kémiai Karán tanulmányozzák legaktívabban. M.V. Lomonoszov.

A fullerének különböző körülmények között történő klórozási folyamatainak aktív tanulmányozása már 1991-ben megkezdődött. A szerzők az első munkákban klór és fullerén különböző oldószerekben történő reagáltatásával próbáltak C 60 kloridokat előállítani. Napjainkig számos C 60 és C 70 fullerén-kloridot izoláltak és jellemeztek, amelyeket különféle klórozószerek alkalmazásával állítottak elő.

Az első kísérletek fullerén brómozására már 1991-ben történtek. A 20 és 50 o C-on tiszta brómba helyezett fullerén C 60 fullerén molekulánként 2-4 bróm atom hozzáadásának megfelelő értékkel növelte a tömeget. A brómozás további vizsgálatai azt mutatták, hogy a C 60 fullerén és a molekuláris bróm több napon át tartó kölcsönhatása élénk narancssárga anyagot eredményez, amelynek elemanalízissel meghatározott összetétele C 60 Br 28 volt. Ezt követően a fullerének számos bróm-származékát szintetizálták, amelyek a molekulában lévő brómatomok számának széles tartományában különböznek egymástól. Sokukra jellemző a klatrátok képződése szabad brómmolekulák bevonásával.

A perfluor-alkil-származékok, különösen a fullerének trifluor-metilezett származékai iránti érdeklődés elsősorban e vegyületek várható kinetikai stabilitásával függ össze a fullerének nukleofil S N 2'-szubsztitúciós reakcióira hajlamos halogénszármazékaihoz képest. Ezenkívül a perfluor-alkil-fullerének nagy elektronaffinitással rendelkező vegyületek lehetnek a perfluor-alkil-csoportok akceptor tulajdonságai miatt, amelyek még erősebbek, mint a fluoratomok. A mai napig a C 60/70 (CF 3) n, n=2-20 összetételű izolált és jellemzett egyedi vegyületek száma meghaladja a 30-at, és intenzív munka folyik a fullerénszféra számos más fluortartalmú csoport általi módosítására. CF 2, C 2 F 5, C 3 F 7 .

A biológiailag aktív fullerén-származékok létrehozása, amelyek a biológiában és az orvostudományban is alkalmazhatók, a fullerénmolekula hidrofil tulajdonságaival járnak együtt. A hidrofil fullerén-származékok szintézisének egyik módszere a hidroxilcsoportok bevitele és a maximum 26 OH-csoportot tartalmazó fullerenolok vagy fullerolok, valamint valószínűleg az oxidok esetében megfigyeltekhez hasonló oxigénhidak kialakítása. Az ilyen vegyületek vízben jól oldódnak, és felhasználhatók új fullerén-származékok szintézisére.

Ami a fullerén-oxidokat illeti, a C 60 O és C 70 O vegyületek kis mennyiségben mindig jelen vannak a kivonat kezdeti fullerének keverékében. Valószínűleg oxigén van a kamrában az elektromos ívkisülés során, és a fullerének egy része oxidálódik. Különböző adszorbensekkel ellátott oszlopokon a fullerén-oxidok jól elkülönülnek, ami lehetővé teszi a fullerénminták tisztaságának és az oxidok hiányának vagy jelenlétének szabályozását. A fullerén-oxidok alacsony stabilitása azonban gátolja szisztematikus vizsgálatukat.

A fullerének szerves kémiájával kapcsolatban megjegyezhető, hogy a C 60 fullerén elektronhiányos poliénként hajlamos gyökös, nukleofil és cikloaddíciós reakciókra. A fullerén szféra funkcionalizálása szempontjából különösen ígéretesek a különféle cikloaddíciós reakciók. Elektronikus jellege miatt a C 60 képes részt venni α-cikloaddíciós reakciókban, és a legjellemzőbbek azok az esetek, amikor n = 1, 2, 3 és 4.

A fullerénszármazékok szintézisével foglalkozó szintetikus vegyészek által megoldott fő probléma a mai napig a lefolytatott reakciók szelektivitása. A fullerének hozzáadásának sztereokémiájának jellemzői nagyszámú elméletileg lehetséges izomerből állnak. Így például a C 60 X 2 vegyületben 23 van, a C 60 X 4-ben már 4368, ezek közül 8 addíciós termék két kettős kötésnél. A 29 C 60 X 4 izomereknek azonban nincs kémiai jelentése, hármas alapállapotuk van egy sp 2 hibridizált szénatom jelenlétéből, amelyet három sp 3 hibridizált atom vesz körül, amelyek C-X kötéseket alkotnak. Az elméletileg lehetséges maximális izomerek száma az alapállapot multiplicitásának figyelembevétele nélkül a C 60 X 30 esetén 985538239868524 lesz (ebből 1294362 addíciós termék 15 kettős kötésnél), míg a nem izomerek száma. A fenti példával azonos jellegű szinglet izomerek nem alkalmasak egyszerű elszámolásra, de általános megfontolásból folyamatosan növekedniük kell a kapcsolt csoportok számának növekedésével. Mindenesetre az elméletileg megengedhető izomerek száma a legtöbb esetben óriási, míg a kevésbé szimmetrikus C 70 és magasabb fullerénekre áttérve ráadásul többszörösére vagy nagyságrendekkel megnövekszik.

Valójában a kvantumkémiai számítások számos adata azt mutatja, hogy a fullerének halogénezési és hidrogénezési reakcióinak többsége a ha nem is a legstabilabb izomerek képződésével megy végbe, de legalább az energiájukban kissé eltér azoktól. A legnagyobb eltérések a kis szénatomszámú fullerén-hidridek esetében figyelhetők meg, amelyek izomer összetétele, mint fentebb látható, kismértékben is függhet a szintézis útjától. A kapott izomerek stabilitása azonban továbbra is rendkívül közelinek bizonyul. A fullerén-származékok képződésének ezen törvényszerűségeinek vizsgálata érdekes probléma, melynek megoldása új eredményekhez vezet a fullerének és származékaik kémiája területén.

Fullerén C 60

Fullerén C 540

Fullerének, buckyballs vagy buckyballs- osztályba tartozó molekuláris vegyületek allotróp formák szén(Egyéb - gyémánt , karabélyÉs grafit) és konvex zárt poliédereket reprezentál, amelyek páros számú háromkoordinációból állnak atomok szén. Ezek a vegyületek a mérnöknek és a tervezőnek köszönhetik nevüket Richard Buckminster Fuller, melynek geodéziai szerkezetei ezen elv szerint épülnek. Kezdetben az illesztések ezen osztálya olyan szerkezetekre korlátozódott, amelyek csak öt- és hatszögletű felületeket tartalmaztak. Vegyük észre, hogy egy ilyen zárt poliéder létezéséhez, amely a n a szerint csak öt- és hatszögletű lapokat alkotó csúcsok Euler-tétel poliéderekre, az egyenlőség érvényességét állítva | n | − | e | + | f | = 2 (ahol | n | , | e| és | f| sorrendben a csúcsok, élek és lapok száma), szükséges feltétel pontosan 12 ötszögletű lap és n/ 2 − 10 hatszögletű lap. Ha egy fullerénmolekula összetétele a szénatomokon kívül más kémiai elemek atomjait is tartalmazza, akkor ha más kémiai elemek atomjai a szénketrecben találhatók, az ilyen fulleréneket ún. endoéder, ha kívül - exoéder.

A fullerének felfedezésének története

A fullerének szerkezeti tulajdonságai

A fullerén molekulákban a szénatomok szabályos hatszögek és ötszögek csúcsaiban helyezkednek el, amelyek egy gömb vagy ellipszoid felületét alkotják. A fullerén család legszimmetrikusabb és legteljesebben tanulmányozott képviselője a fullerén (C 60), amelyben a szénatomok csonka ikozaédert alkotnak, amely 20 hatszögből és 12 ötszögből áll, és hasonlít. focilabda. Mivel a C 60 fullerén minden szénatomja egyidejűleg két hatszöghez és egy ötszöghöz tartozik, a C 60 összes atomja egyenértékű, amit a spektrum is megerősít. nukleáris mágneses rezonancia(NMR) a 13C izotóp - csak egy vonalat tartalmaz. Azonban nem minden C-C kötés azonos hosszúságú. A C=C kötés, amely két hatszög közös oldala, 1,39 Å, a C-C kötés pedig, amely egy hatszög és egy ötszög közös oldala, hosszabb és 1,44 Å. Ráadásul az első típusú kötés kettős, a második pedig egyszeres, ami elengedhetetlen a C 60 fullerén kémiájához.

A következő legelterjedtebb a C 70 fullerén, amely abban különbözik a C 60 fulleréntől, hogy a C 60 egyenlítői régióba 10 szénatomos övet szúrnak be, aminek következtében a C 70 molekula megnyúlik és játéklabdára hasonlít. rögbi.

A nagyobb számú (legfeljebb 400) szénatomot tartalmazó, úgynevezett magasabb fullerének sokkal kisebb mennyiségben képződnek, és gyakran meglehetősen összetett izomer összetételűek. A legtöbbet vizsgált magasabb fullerének közül kiemelhető a C n , n=74, 76, 78, 80, 82 és 84.

Fullerének szintézise

Az első fulleréneket kondenzált gőzökből izolálták grafit szilárd grafitminták lézeres besugárzásával nyerik. Valójában az anyag nyomai voltak. A következő fontos lépés megtörtént 1990 V. Kretschmer, Lamb, D. Huffman és mások, akik kidolgoztak egy módszert grammos fullerének előállítására grafitelektródák elektromos ívben történő égetésével a légkörben hélium alacsony nyomáson. . Az erózió folyamatában anód bizonyos mennyiségű fullerént tartalmazó korom ülepedt a kamra falára. Ezt követően lehetőség nyílt az elektródapárolgás optimális paramétereinek (nyomás, légköri összetétel, áram, elektródátmérő) kiválasztására, amelyeknél a fullerének legnagyobb hozama érhető el, az anód anyagának átlagosan 3-12%-a, ami végső soron meghatározza a magas fullerének költsége.

Eleinte a kísérletezők minden arra irányuló kísérlete, hogy olcsóbb és termelékenyebb módszereket találjanak grammos fullerének előállítására (égetés szénhidrogének lángban, kémiai szintézis stb.) nem vezetett sikerhez, és az „ív” módszer sokáig a legproduktívabb maradt (a termelékenység körülbelül 1 g / óra). Ezt követően a cég Mitsubishi sikerült létrehozni a fullerének ipari előállítását szénhidrogének elégetésével, de az ilyen fullerének tartalmaznak oxigénés ezért az íves módszer továbbra is az egyetlen alkalmas módszer a tiszta fullerének előállítására.

Az ívben a fullerén képződésének mechanizmusa továbbra is tisztázatlan, mivel az ívégési tartományban végbemenő folyamatok termodinamikailag instabilak, ami nagymértékben megnehezíti az elméleti mérlegelést. Cáfolhatatlanul csak azt állapították meg, hogy a fullerén egyes szénatomokból (vagy C2-fragmensekből) áll össze. A bizonyítás kedvéért anódelektródaként nagy tisztaságú 13 C-os grafitot használtunk, a másik elektródát közönséges 12 C-os grafitból készítették, a fullerének kivonása után a módszerrel kimutattuk. NMR hogy a 12 C és 13 C atomok véletlenszerűen helyezkednek el a fullerén felületen. Ez azt jelzi, hogy a grafitanyag egyes atomokká vagy atomi szintű töredékekké bomlik, majd ezek fullerénmolekulává állnak össze. Ez a körülmény szükségessé tette a fullerének képződésének vizuális képét az atomi grafitrétegek zárt gömbökké való gyűrődése következtében.

A fullerének előállítására szolgáló létesítmények számának viszonylag gyors növekedése és a tisztítási módszereik javítására irányuló folyamatos munka a C 60 költségének jelentős csökkenéséhez vezetett az elmúlt 17 évben - 10 000 dollárról 10-15 dollárra. gramm, ami valódi ipari felhasználásuk határáig juttatta őket.

Sajnos a Huffman-Kretchmer (HK) módszer optimalizálása ellenére a fullerének hozamát az égetett grafit össztömegének 10-20%-ánál nagyobb mértékben nem lehet növelni. Figyelembe véve a kezdeti termék, a grafit viszonylag magas költségét, világossá válik, hogy ennek a módszernek alapvető korlátai vannak. Sok kutató úgy véli, hogy az XC módszerrel nyert fullerének árát nem lehet grammonként néhány dollár alá csökkenteni. Ezért számos kutatócsoport erőfeszítései arra irányulnak, hogy alternatív módszereket találjanak fullerének előállítására. Ezen a területen a legnagyobb sikert a Mitsubishi cég érte el, amelynek, mint fentebb említettük, szénhidrogének lángban égetésével sikerült megvalósítania a fullerének ipari előállítását. Az ilyen fullerének ára körülbelül 5 USD/gramm ( 2005 év), amely nem volt hatással az elektromos ív fullerének költségeire.

Megjegyzendő, hogy a fullerének magas költségét nemcsak a grafitégetés során elért alacsony hozamuk határozza meg, hanem a különböző tömegű fullerének koromtól való elkülönítésének, tisztításának és elkülönítésének nehézsége is. A szokásos megközelítés a következő: a grafit égéséből nyert kormot összekeverik toluol vagy más szerves oldószer (amely képes hatékonyan feloldani a fulleréneket), majd a keveréket szűrjük vagy desztilláljuk. centrifugaés a maradék oldatot bepároljuk. Az oldószer eltávolítása után sötét, finom kristályos csapadék marad vissza - fullerének keveréke, amelyet általában fulleritnek neveznek. A fullerit összetétele különféle kristályos képződményeket tartalmaz: a C 60 és C 70 molekulákból álló kis kristályok, valamint a C 60 / C 70 kristályok szilárd oldatok. Ezenkívül a fullerit mindig tartalmaz kis mennyiségű magasabb fulleréneket (legfeljebb 3%). A fullerének keverékének szétválasztását egyedi molekulafrakciókra a következőképpen végezzük folyadékkromatográfia oszlopokon és nagynyomású folyadékkromatográfiával (HPLC). Ez utóbbit elsősorban az izolált fullerének tisztaságának elemzésére használják, mivel a HPLC módszer analitikai érzékenysége nagyon magas (akár 0,01%). Végül az utolsó lépés az oldószer maradékok eltávolítása a szilárd fullerén mintából. Ezt úgy hajtják végre, hogy a mintát dinamikus vákuumban (kb. 0,1) 150-250 o C hőmérsékleten tartják. torr).

A fullerének fizikai tulajdonságai és alkalmazott értéke

Fulleriták

A fullerén molekulákból álló kondenzált rendszereket ún fulleriták. A legtöbbet tanulmányozott ilyen rendszer a C 60 kristály, kevésbé - a kristályos C 70 rendszer. A magasabb fullerének kristályainak vizsgálatát előállításuk bonyolultsága nehezíti. A fullerén molekulában a szénatomok kötöttek σ-és π-kötések, míg a kristályban lévő egyes fullerénmolekulák között nincs kémiai kötés (a szó szokásos értelmében). Ezért egy kondenzált rendszerben az egyes molekulák megőrzik egyéniségüket (ami fontos, ha figyelembe vesszük a kristály elektronszerkezetét). A molekulákat egy kristályban tartják írta van der Waals, amely nagymértékben meghatározza a szilárd C 60 makroszkopikus tulajdonságait.

Szobahőmérsékleten a C 60 kristálynak egy arc-központú köbös (fcc) van. rács 1,415 nm állandóval, de a hőmérséklet csökkenésével elsőrendű fázisátalakulás következik be (T cr ≈260 K), és a C 60 kristály szerkezetét egyszerű köbössé változtatja (rácsállandó 1,411 nm). T > Tcr hőmérsékleten a C 60 molekulák véletlenszerűen forognak egyensúlyi középpontjuk körül, és amikor ez egy kritikus hőmérsékletre csökken, a két forgástengely megfagy. A forgások teljes lefagyása 165 K-en megy végbe. A munka során részletesen tanulmányoztuk a C 70 kristályszerkezetét szobahőmérséklet nagyságrendű hőmérsékleten. Amint ennek a munkának az eredményeiből az következik, az ilyen típusú kristályoknak testközpontú (bcc) rácsuk van, amelyhez a hatszögletű fázis kis keveréke is van.

A fullerének nemlineáris optikai tulajdonságai

A fullerének elektronszerkezetének elemzése kimutatja a π-elektronrendszerek jelenlétét, amelyek esetében nagy a nemlineáris szuszceptibilitás értéke. A fullerének valóban nemlineáris optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A C 60 molekula nagy szimmetriája miatt azonban a második harmonikus generálás csak akkor lehetséges, ha aszimmetriát viszünk be a rendszerbe (például külső elektromos tér hatására). Gyakorlati szempontból vonzó a nagy sebesség (~250 ps), amely meghatározza a második harmonikus generáció elnyomását. Ezenkívül a C 60 fullerének képesek a harmadik harmonikus létrehozására is.

Egy másik lehetséges terület a fullerének és mindenekelőtt a C 60 felhasználására az optikai redőnyök. Kísérletileg kimutatták ennek az anyagnak a lehetőségét 532 nm-es hullámhosszon. A rövid válaszidő lehetővé teszi fullerének lézersugárzás-korlátozóként és Q-kapcsolóként történő használatát. Számos okból azonban a fullerének itt nehezen vehetik fel a versenyt a hagyományos anyagokkal. A magas költségek, a fullerének poharakban való diszpergálásának nehézségei, a levegőben történő gyors oxidáció képessége, a nem-lineáris érzékenység nem rekord együtthatói és az optikai sugárzás korlátozásának magas küszöbértéke (szemvédelemre nem alkalmas) komoly nehézségeket okoz a versengő anyagok elleni küzdelemben. .

Kvantummechanika és fullerén

Hidratált fullerén (HyFn); (C 60 @ (H 2 O) n)

Vizes oldat C 60 HyFn

A hidratált C 60 - C 60 HyFn fullerén egy erős, hidrofil szupramolekuláris komplex, amely az első hidratációs héjba zárt C 60 fullerén molekulából áll, amely 24 vízmolekulát tartalmaz: C 60 @(H 2 O) 24 . A hidratációs héj a vízben lévő oxigén-oxigén molekulák magányos párjainak donor-akceptor kölcsönhatása következtében jön létre a fullerén felületén lévő elektron-akceptor központokkal. Ugyanakkor a fullerén felszín közelében elhelyezkedő vízmolekulákat hidrogénkötések térfogati hálózata köti össze. A C 60 HyFn mérete 1,6-1,8 nm-nek felel meg. Jelenleg a C 60 maximális koncentrációja, C 60 HyFn formájában, vízben 4 mg/ml-nek felel meg. C 60 HyFn vizes oldatának fényképe 0,22 mg/ml C 60 koncentrációval a jobb oldalon.

Fullerén, mint anyag a félvezető technológiához

A fullerén molekuláris kristálya az félvezető szélességgel tiltott zóna~1,5 eV és tulajdonságai nagymértékben hasonlóak a többi félvezetőéhez. Ezért számos tanulmány foglalkozott a fullerének új anyagként való használatával hagyományos elektronikai alkalmazásokhoz: diódákhoz, tranzisztorokhoz, fotocellákhoz stb. Itt a hagyományos szilíciummal szemben előnyük a rövid fotoválaszidő. ns). Az oxigénnek a fullerén fóliák vezetőképességére gyakorolt ​​hatása azonban jelentős hátránynak bizonyult, és ennek következtében felmerült az igény védőbevonatokra. Ebben az értelemben ígéretesebb a fullerén molekula független nanoméretű eszközként és különösen erősítő elemként történő alkalmazása.

Fullerén, mint fotoreziszt

Látható (> 2 eV), ultraibolya és rövidebb hullámhosszú sugárzás hatására a fullerének polimerizálódnak, és ebben a formában szerves oldószerek nem oldják fel. A fullerén fotoreziszt alkalmazásának szemléltetésére példát hozhatunk a szubmikronos felbontás (≈20 nm) elérésére szilícium elektronsugárral történő maratásával, polimerizált C 60 film maszk használatával.

Fullerén adalékok a gyémántfilmek növekedéséhez CVD-módszerrel

Egy másik érdekes gyakorlati alkalmazási lehetőség a fullerén adalékok alkalmazása gyémántfilmek növesztésénél CVD módszerrel (Chemical Vapor Deposition). A fullerének gázfázisba bevitele két szempontból hatásos: a gyémánt magok képződési sebességének növekedése a hordozón és az építőelemek gázfázisból a szubsztrátumba való ellátása. A C 2 töredékei építőelemként működnek, amely alkalmas anyagnak bizonyult a gyémántfilm növekedéséhez. Kísérletileg kimutatták, hogy a gyémántfilmek növekedési sebessége eléri a 0,6 µm/h-t, ami 5-ször nagyobb, mint fullerének alkalmazása nélkül. A gyémántok és más félvezetők közötti valódi versenyhez a mikroelektronikában ki kell dolgozni egy módszert a gyémántfilmek heteroepitaxiájára, de az egykristályos filmek növekedése nem gyémánt hordozókon továbbra is megoldhatatlan probléma. A probléma megoldásának egyik lehetséges módja egy fullerén pufferréteg alkalmazása a hordozó és a gyémántfilm között. Az ilyen irányú kutatások előfeltétele a fullerének jó tapadása a legtöbb anyaghoz. Ezek a rendelkezések különösen fontosak a gyémántokkal kapcsolatos intenzív kutatások kapcsán, amelyek a következő generációs mikroelektronikában való felhasználásukat célozzák. Nagy teljesítmény (nagy telített sodródási sebesség); Az ismert anyagok közül a legmagasabb hővezető képesség és vegyi ellenállás a gyémánt ígéretes anyagává teszi az elektronika következő generációjának.

Szupravezető vegyületek C 60 tartalommal

A fullerének molekuláris kristályai félvezetők, azonban 1991 elején kiderült, hogy a szilárd C 60 kis mennyiségű alkálifém adalékolása fémes vezetőképességű anyag képződéséhez vezet, amely alacsony hőmérsékleten átalakul szupravezető. A 60-as adalékolást úgy állítják elő, hogy a kristályokat fémgőzzel kezelik több száz Celsius fokos hőmérsékleten. Ebben az esetben X 3 C 60 típusú szerkezet képződik (X egy alkálifém atom). Az első interkalált fém a kálium volt. A K 3 C 60 vegyület szupravezető állapotba való átmenete 19 K hőmérsékleten megy végbe. Ez rekordérték a molekuláris szupravezetők esetében. Hamar kiderült, hogy sok fullerit alkálifém atomokkal adalékolt X 3 C 60 vagy XY 2 C 60 arányban (X, Y - atomok alkálifémek). Az ilyen típusú magas hőmérsékletű szupravezetők (HTSC) között a rekorder az RbCs 2 C 60 volt - ennek T cr =33 K.

A fullerén korom kis adalékainak hatása a PTFE súrlódás- és kopásgátló tulajdonságaira

Megjegyzendő, hogy a C 60 fullerén ásványi kenőanyagokban való jelenléte 100 nm vastag fullerén-teljes dimenziós védőfilm kialakulását indítja el az ellentest felületein. A kialakult film véd a termikus és oxidatív lebomlás ellen, 3-8-szorosára növeli a súrlódó egységek élettartamát vészhelyzetben, a kenőanyagok hőstabilitását 400-500ºС-ig, a súrlódó egységek teherbírását pedig 2-3-szorosára növeli, A súrlódó egységek üzemi nyomástartománya 1,5-2-szeresére csökkenti a számlálótestek befutási idejét.

A fullerének egyéb alkalmazásai

További érdekes alkalmazások közé tartoznak az akkumulátorok és az elektromos elemek, amelyekben ilyen vagy olyan módon fullerén adalékanyagokat használnak. Ezek az akkumulátorok interkalált fulleréneket tartalmazó lítium-katódokon alapulnak. A fullerének adalékanyagként is használhatók mesterséges gyémántok nagynyomású eljárással történő előállításához. Ebben az esetben a gyémántok hozama ≈30%-kal nő. A fullerének a gyógyszerészetben is felhasználhatók új gyógyszerek létrehozására. Ezenkívül a fullerének adalékanyagként is alkalmazhatók duzzadó (duzzadó) tűzálló festékekben. A fullerének bejuttatása miatt a festék a tűz során a hőmérséklet hatására megduzzad, meglehetősen sűrű habkokszos réteg képződik, amely többszörösen növeli a melegítési időt a védett szerkezetek kritikus hőmérsékletére. A fulleréneket és különféle kémiai származékaikat polikonjugált félvezető polimerekkel kombinálva használják napelemek gyártásához.

A fullerének kémiai tulajdonságai

Fullerének, a hidrogénatomok hiánya ellenére, amelyek helyettesíthetők, mint a közönségesek aromás vegyületek, még mindig funkcionalizálható különféle kémiai módszerekkel. Például olyan reakciók fullerének funkcionalizálására, mint pl