Kus fulleriiti kasutatakse? Fullereeni tahma väikeste lisandite mõju PTFE hõõrde- ja kulumisvastastele omadustele
Fullereen, buckyball, või buckyball- süsiniku allotroopsete vormide klassi kuuluv molekulaarne ühend, mis kujutab kumerat suletud polüeedrit, mis koosneb paarisarvust kolmest koordineeritud süsinikuaatomist. Fullereenid võlgnevad oma nime insenerile ja arhitektile Richard Buckminster Fullerile, kelle geodeetilised struktuurid on ehitatud sellel põhimõttel. Algselt piirdus see liigeste klass konstruktsioonidega, mis sisaldasid ainult viis- ja kuusnurkseid tahke. Pange tähele, et sellise suletud hulktahuka olemasolu jaoks, mis on ehitatud n tipud, mis moodustavad ainult viis- ja kuusnurksed tahud vastavalt Euleri teoreemile polühedra kohta, mis kinnitab võrdsuse kehtivust | n | − | e | + | f | = 2 (\displaystyle |n|-|e|+|f|=2)(kus | n | , | e | (\displaystyle |n|,|e|) ja | f | (\displaystyle |f|) vastavalt tippude, servade ja tahkude arv), vajalik tingimus on täpselt 12 viisnurkse tahu olemasolu ja n / 2–10 (\displaystyle n/2-10) kuusnurksed servad. Kui fullereeni molekul sisaldab lisaks süsinikuaatomitele ka teiste keemiliste elementide aatomeid, siis kui süsinikupuuris paiknevad teiste keemiliste elementide aatomid, nimetatakse selliseid fullereene endoeedriliseks, kui väljastpoolt - eksoeedriliseks.
Entsüklopeediline YouTube
1 / 2
✪ Bill Joy: Mille pärast ma olen mures, mille pärast olen põnevil
✪ 12 * L "homme qui empoisonna l" Humanité en voulant la sauver
Subtiitrid
Tõlkija: Marina Gavrilova Toimetaja: Ahmet Yükseltürk Milliseid tehnoloogiaid saame reaalselt kasutada ülemaailmse vaesuse vähendamiseks? See, millest ma aru sain, oli üsna ootamatu. Hakkasime uurima selliseid asju nagu suremus 20. sajandil ja kuidas asjad on sellest ajast paranenud, ning esile on tulnud väga huvitavaid ja lihtsaid asju. Võib tunduda, et määravat rolli mängisid antibiootikumid, mitte puhas vesi, kuid tegelikult on asi vastupidi. Ja väga lihtsad asjad – valmistehnoloogiad, mida oli Interneti algusaegadel lihtne leida – võivad seda probleemi oluliselt muuta. Kuid vaadates võimsamaid tehnoloogiaid, nagu nanotehnoloogia ja geenitehnoloogia ning muid esilekerkivaid digitaaltehnoloogiaid, hakkasin muretsema võimaliku kuritarvitamise pärast nendes valdkondades. Mõelge sellele, sest ajaloos käsitlesime palju aastaid tagasi inimese ärakasutamist inimese poolt. Siis mõtlesime välja kümme käsku: Sa ei tohi tappa. See on omamoodi isiklik otsus. Meie asulad hakkasid organiseeruma linnadeks. Rahvaarv suurenes. Ja selleks, et kaitsta inimest rahvahulga türannia eest, oleme välja mõelnud sellised mõisted nagu üksikisiku vabadus. Siis, et tulla toime suurte gruppidega, ütleme riigi tasandil, kas vastastikuste mittekallaletungilepingute või mitmete konfliktide tulemusena, jõudsime lõpuks omamoodi kokkuleppele, mille järgi säilitada. rahu. Kuid tänaseks on olukord muutunud, seda nimetatakse asümmeetriliseks olukorraks, mil tehnoloogiad on muutunud nii võimsaks, et lähevad juba riigipiiridest välja. Potentsiaalne juurdepääs massihävitusrelvadele pole enam riikidel, vaid üksikisikutel. Ja see on tingitud asjaolust, et need uued tehnoloogiad on tavaliselt digitaalsed. Me kõik oleme näinud genoomseid järjestusi. Soovi korral saab igaüks internetist alla laadida patogeensete mikroorganismide geenijärjestusi. Kui soovite, lugesin hiljuti ühest teadusajakirjast, et 1918. aasta gripitüvi on saatmiseks liiga ohtlik. Ja kui kellelgi on vaja seda laboriuuringutes kasutada, siis soovitatakse see lihtsalt pöördprojekteerida, et mitte posti ohtu seada. Sellised võimalused on kindlasti olemas. Seega kujutavad väikesed inimrühmad, kellel on juurdepääs sedalaadi bioloogilistele või muudele tehnoloogiatele, isepaljunevatele tehnoloogiatele selget ohtu. Ja oht on selles, et need võivad tegelikult tekitada pandeemia. Ja meil pole reaalset kogemust pandeemiatega, samuti ei oska me ühiskonnana väga hästi võõraste asjadega hakkama saada. Ennetavate meetmete võtmine ei ole meie loomuses. Ja sel juhul tehnoloogia probleemi ei lahenda, sest see avab inimestele vaid rohkem võimalusi. Russell, Einstein ja teised, arutledes selle üle palju tõsisemalt, ma arvan, et kahekümnenda sajandi alguses, jõudsid järeldusele, et otsuse ei tohiks teha ainult pea, vaid ka südame järgi. Võtke näiteks avatud arutelud ja moraalne progress. Eelis, mille tsivilisatsioon meile annab, on võime mitte kasutada jõudu. Meie õigusi ühiskonnas kaitstakse peamiselt seaduslike meetmetega. Nende uute asjade ohu piiramiseks on vaja piirata üksikisikute juurdepääsu pandeemiate tekkeallikatele. Vajame ka märkimisväärseid kaitsemehhanisme, sest hullude teod võivad olla ettearvamatud. Ja kõige tüütum on see, et millegi halva tegemine on palju lihtsam kui kaitse arendamine kõigis võimalikes olukordades; seega on kurjategijal alati asümmeetriline eelis. Need on mõtted, mida ma 1999. ja 2000. aastal mõtlesin; mu sõbrad nägid, et olen masenduses ja muretsesin minu pärast. Seejärel sõlmisin lepingu kirjutada raamat, milles kavatsesin väljendada oma süngeid mõtteid, ja kolisin New Yorgi hotellituppa, kus üks tuba oli täis raamatuid katku ja New Yorgi tuumapommitamise kohta; lõi atmosfääri, ühesõnaga. Ja ma olin seal 11. septembril ja seisin kõigiga tänaval. Juhtus midagi uskumatut. Tõusin järgmisel hommikul üles ja lahkusin linnast, kõik koristusautod seisid Houston Streetil, valmis rusude koristamiseks. Kõndisin keset tänavat, raudteejaama; kõik 14. tänava all oli blokeeritud. See oli uskumatu, aga mitte neile, kellel oli tuba raamatuid täis. See oli üllatav, et see juhtus siis ja seal, kuid mitte üllatav, et see juhtus üldse. Seejärel hakkasid kõik sellest kirjutama. Tuhanded inimesed hakkasid sellest kirjutama. Ja lõpuks lükkasin raamatu tagasi ja siis helistas Chris mulle pakkumisega konverentsil esineda. Ma ei räägi sellest enam, sest ilma selleta juhtub piisavalt masendavaid asju. Aga olin nõus tulema ja sellest paar sõna rääkima. Ja ma väidan, et me ei tohiks loobuda õigusriigi põhimõttest asümmeetriliste ohtude käsitlemisel, mida võimulolijad praegu justkui teevad, sest see on võrdne tsivilisatsiooni hülgamisega. Ja me ei saa võidelda ohuga nii rumal viisil, nagu me teeme, sest miljoni dollari suurune tegevus toob kaasa miljardi dollari suuruse kahju ja triljoni dollari suuruse reaktsiooni, mis on ebaefektiivne ja peaaegu kindlasti süvendab probleemi. Sa ei saa millegi vastu võidelda, kui hind on miljon ühele ja eduvõimalus on üks miljon. Pärast raamatu tagasilükkamist umbes aasta tagasi oli mul eesõigus liituda Kleiner Perkinsiga ja sain võimaluse töötada riskikapitali kaudu innovatsiooni kallal, püüdes leida uuendusi, mida saaks kasutada suurte probleemide lahendamiseks. Selliste asjade puhul võib kümnekordne erinevus anda tuhandekordse kasu. Mind hämmastas eelmisel aastal uuenduste uskumatu kvaliteet ja hoog, mis minu kätest läbi käis. Kohati oli see lihtsalt hingemattev. Olen Google'ile ja Wikipediale väga tänulik selle eest, et sain vähemalt natukene aru, millest inimesed räägivad. Tahaksin teile rääkida kolmest valdkonnast, mis annavad mulle erilist lootust seoses probleemidega, millest kirjutasin ajakirjas Wired artiklis. Esimene valdkond on haridus üldiselt ja sisuliselt viitab see Nicholase (Nicholas Negroponte) öeldule 100-dollariliste arvutite kohta. Moore'i seadus pole kaugeltki ammendatud. Tänapäeva kõige arenenumad transistorid on 65 nanomeetrit ja ma olen õnnelikult investeerinud ettevõtetesse, mis annavad mulle suure kindlustunde, et Moore'i seadus töötab kuni umbes 10 nanomeetrini. Teine suuruse vähendamine, näiteks 6 korda, peaks parandama kiipide jõudlust 100 korda. Nii et kui miski maksab täna umbes 1000 dollarit, näiteks parim personaalarvuti, mida saate osta, siis 2020. aastal võib selle maksumus olla minu arvates 10 dollarit. Pole paha? Kujutage ette, kui palju maksab see 100-dollarine arvuti 2020. aastal õppevahendina. Ma arvan, et meie ülesanne on – ja ma olen kindel, et see ka nii läheb – välja töötada sellised õppevahendid ja võrgustikud, mis võimaldaksid meil seda seadet kasutada. Olen veendunud, et meil on uskumatult võimsad arvutid, kuid meil pole nende jaoks head tarkvara. Ja alles mõne aja pärast tuleb parem tarkvara välja, kui käivitate selle 10-aastasel masinal ja ütlete: "Jumal, kas see masin oli võimeline nii kiiresti töötama? "Mäletan, kui Apple Maci liides pandi Apple II-le tagasi. Apple II töötas selle liidesega hästi, me lihtsalt ei teadnud tol ajal, kuidas seda teha. Lähtudes sellest, et Moore'i seadus on töötanud 40 aasta pärast võime eeldada, et see nii läheb. Siis teame, millised on arvutid aastal 2020. On suurepärane, et meil on algatusi inimeste harimiseks ja valgustamiseks kogu maailmas, sest see on maailma suur jõud. saame pakkuda kõigile maailmas 100 dollarit või 10 dollarit arvutit järgmise 15 aasta jooksul. Teine valdkond, millele ma keskendun, on keskkonnaprobleem, kuna sellel on tugev mõju kogu maailmale. Al Gore räägib sellest peagi lähemalt Meie arvates et on omamoodi Moore'i seaduse suundumus, et uued materjalid on ökoloogia valdkonna edusammude edasiviiv jõud.Meid ootab ees raske ülesanne, sest linnaelanikkond on sellesse kasvanud. m sajandil 2–6 miljardit väga lühikese aja jooksul. Inimesed kolivad linnadesse. Igaüks vajab puhast vett, energiat, transpordivahendeid ja me tahame arendada linnu mööda rohelist rada. Tööstussektorid on üsna tõhusad. Oleme teinud parandusi energia- ja ressursitõhususes, kuid tarbijasektor, eriti Ameerikas, on väga ebaefektiivne. Uued materjalid toovad kaasa nii uskumatu innovatsiooni, et on põhjust loota, et need on piisavalt tulusad, et turule jõuda. Tahan tuua konkreetse näite uuest materjalist, mis avastati 15 aastat tagasi. Need on süsinik-nanotorud, mille Iijima avastas 1991. aastal ja neil on uskumatud omadused. Need on asjad, mida me avastame, kui alustame projekteerimist nanotasandil. Nende tugevus seisneb selles, et see on praktiliselt kõige tugevam materjal, mis on teadaolevalt kõige venimiskindlam. Need on väga-väga jäigad ja neil on väga vähe venivust. Kahes mõõtmes, näiteks kui neist tehakse kangast, siis on see 30 korda tugevam kui kevlar. Ja kui teete kolmemõõtmelise struktuuri, nagu buckyball, on sellel uskumatud omadused. Kui pommitate seda osakestega ja lööte sellesse augu, parandab see end ise, parandab selle kiiresti, femtosekundite jooksul, mis ei ole .. Väga kiiresti. (Naer) Kui paned selle põlema, toodab see elektrit. Fotovälk võib põhjustada selle süttimist. Elektrifitseerimisel kiirgab see valgust. Sellest saab läbi lasta tuhat korda rohkem voolu kui läbi metallitüki. Neid saab teha nii p- kui ka n-tüüpi pooljuhtideks, mis tähendab, et neist saab teha transistore. Need juhivad soojust piki pikkust, aga mitte risti - paksusest siin rääkida ei saa, vaid põikisuunast - kui panna need üksteise peale; see on ka süsinikkiu omadus. Kui paned neisse osakesi ja tulistad, toimivad need nagu miniatuursed lineaarsed kiirendid või elektronkahurid. Nanotoru sisemus on nii väike – väikseim neist on 0,7 nm –, et see on sisuliselt juba kvantmaailm. See kummaline ruum on nanotoru sees. Nii et me hakkame aru saama ja äriplaanid on juba paigas, asjad, millest Lisa Randel räägib. Mul oli üks äriplaan, kus püüdsin Witteni kosmiliste mõõtmiste jadade kohta rohkem teada saada, et mõista, mis kavandatavas nanomaterjalis toimub. Nii et me oleme nanotoru sees tõesti juba piiril. See tähendab, et me näeme, et nendest ja teistest uutest materjalidest on võimalik luua erinevate omadustega asju - kergeid ja tugevaid - ning kasutada neid uusi materjale keskkonnaprobleemide lahendamisel. Uued materjalid, mis võivad tekitada vett, uued materjalid, mis panevad kütuseelemendid paremini tööle, uued materjalid, mis katalüüsivad keemilisi reaktsioone, mis vähendavad saastet jne. Etanool – uued viisid etanooli valmistamiseks. Elektritranspordi ehitamise uued viisid. Roheline unenägu – sest see võib olla kasulik. Ja me oleme investeerinud -- oleme hiljuti asutanud uue fondi, oleme investeerinud 100 miljonit dollarit sellisesse investeeringusse. Usume, et Genentech, Compaq, Lotus, Sun, Netscape, Amazon ja Google ilmuvad neis valdkondades, sest see materjalide revolutsioon edendab edusamme. Kolmas valdkond, millega me töötame ja millest me just eelmisel nädalal New Yorgis välja kuulutasime. Oleme pandeemiate vastase bioturvalisuse arendamiseks loonud 200 miljoni dollari suuruse erifondi. Ja aimu andmiseks, viimase Kleineri asutatud fondi väärtus on 400 miljonit dollarit, nii et see on tema jaoks väga oluline fond. Mida me oleme viimastel kuudel teinud – paar kuud tagasi kirjutasime Ray Kurzweiliga ajalehes The New York Times kirjutise selle kohta, kui ohtlik oli 1918. aasta gripi genoomi avaldamine. John Derr, Brooke ja teised hakkasid selle pärast muret tundma [ebaselge] ning me hakkasime uurima, kuidas maailm pandeemiaks valmistub. Oleme näinud palju lünki. Mõtlesime, kas on võimalik leida selliseid uuendusi, mis need lüngad täidaksid? Ja Brooks ütles mulle poolajal, et ta leidis nii palju asju, nii palju põnevust, et ta ei saa magada, nii palju suurepäraseid tehnoloogiaid, et me saame nendesse lihtsalt süveneda. Me vajame neid, tead. Meil on varuks üks viirusevastane ravim; nad ütlevad, et see töötab endiselt. See on Tamiflu. Tamiflu viirus on aga resistentne. Ta on Tamiflu suhtes resistentne. AIDSi kogemusest näeme, et kokteilid mõjuvad hästi ehk viirusresistentsuseks on vaja mitmeid ravimeid. Peame seda sügavamalt uurima. Vajame rühmitusi, kes suudavad aru saada, mis toimub. Vajame kiiret diagnostikat, et saaksime tuvastada alles hiljuti avastatud gripitüve. Peate suutma kiiresti teha kiirdiagnostikat. Vajame uusi viirusevastaseid ravimeid ja kokteile. Vajame uut tüüpi vaktsiine. Laia toimespektriga vaktsiinid. Vaktsiinid, mida saab kiiresti toota. Kokteilid, võimsamad vaktsiinid. Tavaline vaktsiin toimib 3 võimaliku tüve vastu. Me ei tea, milline neist on aktiivne. Usume, et kui suudaksime need 10 lünka täita, saaksime pandeemia ohtu tegelikult vähendada. Tavaline hooajaline gripp ja pandeemia on surmade osas vahekorras 1:1000 ning loomulikult on selle mõju majandusele tohutu. Seega oleme väga põnevil, sest arvame, et suudame rahastada 10 projekti või vähemalt kiirendada 10 projekti ja näha, et need järgmise paari aasta jooksul turule jõuavad. Nii et kui tehnoloogia aitab lahendada probleeme hariduses, keskkonnas ja pandeemiates, kas see lahendab suurema probleemi, millest ma ajakirjas Wired rääkisin? Ma kardan, et vastus on tõesti eitav, sest tehnoloogiahalduse probleemi on sama tehnoloogiaga võimatu lahendada. Kui piiramatu võimsus jäetakse vabalt kättesaadavaks, siis saab seda oma tarbeks kasutada väga väike hulk inimesi. Sa ei saa võidelda, kui koefitsient on miljon ühele. Vajame tõhusamaid seadusi. Näiteks see, mida me saame teha, midagi, mis pole veel poliitilises õhus, kuid võib-olla saab administratsiooni vahetusega, on turgude kasutamine. Turud on väga võimas jõud. Näiteks selle asemel, et püüda reguleerida probleeme, mis ilmselt ei tööta, kui saaksime katastroofi kulu panna äritegevuse kuludesse, et kõrge riskiga ettevõttes töötavad inimesed saaksid selle vastu maandada. risk. Näiteks saate seda kasutada ravimi turustamiseks. Seda ei pea heaks kiitma reguleerivad asutused; kuid peate kindlustusseltsi veenma, et see on ohutu. Ja kui rakendada kindlustuse kontseptsiooni laiemalt, saate tagasiside andmiseks kasutada võimsamat jõudu, turu jõudu. Kuidas saab selliseid õigusakte jõustada? Arvan, et sellist seadusandlust tuleks toetada. Inimesi tuleb vastutusele võtta. Seadus nõuab vastutust. Siiani ei vastuta teadlased, tehnoloogid, ärimehed, insenerid isiklikult oma tegude tagajärgede eest. Kui teete midagi, peate seda tegema vastavalt seadusele. Ja lõpuks, ma arvan, et peaksime tegema – seda on peaaegu võimatu öelda –, et peaksime hakkama tulevikku kujundama. Me ei saa tulevikku valida, kuid saame muuta selle suunda. Meie investeering gripipandeemiate ennetamisse mõjutab võimalike tulemuste levikut. Meil ei pruugi õnnestuda pandeemiat peatada, kuid sellele probleemile keskendumine ei mõjuta meid tõenäoliselt. Nii saame kujundada tulevikku, valides, mida tahame, ja ennetades seda, mida me ei taha, ning suunates arengut väiksema riskiga kohta. Asepresident Gore räägib, kuidas saaksime suunata kliimatrajektoori väikese katastroofi tõenäosusega piirkonda. Kuid kõige olulisem, mida me tegema peame, on aidata tublidel poistel, kaitseväelastel, saada eelis nende inimeste ees, kes suudavad olukorda ära kasutada. Ja mida me peame tegema, on piirata juurdepääsu teatud teabele. Arvestades väärtusi, millest me üles kasvasime, on sõnavabadusele omistatav kõrge väärtus raske aktsepteerida – meil kõigil on raske aktsepteerida. See on eriti raske teadlastele, kes mäletavad Galileo tagakiusamist, kuid võitles siiski kiriku vastu. Kuid see on tsivilisatsiooni hind. Seaduse säilitamise hind on piiramatule võimule juurdepääsu piiramine. Tänan tähelepanu eest. (Aplaus)
Avastamise ajalugu
Fullereenid looduses
Pärast laboritingimustes saamist leiti süsiniku molekule mõnest Põhja-Karjalast pärit šungiidi proovist USA ja India fulguriitidest, meteoriitidest ja põhjasetetest, mille vanus ulatub 65 miljoni aastani.
Fullereene leiti suurtes kogustes ka kosmoses: 2010. aastal gaasina, 2012. aastal - tahkel kujul.
Struktuursed omadused
Süsiniku molekulaarse moodustumise mass kärbitud ikosaeedri kujul on 720 amu. e.m. Fullereeni molekulides paiknevad süsinikuaatomid kuusnurkade ja viisnurkade tippudes, mis moodustavad sfääri või ellipsoidi pinna. Fullereeni perekonna kõige sümmeetrilisem ja põhjalikumalt uuritud esindaja on fullereen (C 60), milles süsinikuaatomid moodustavad kärbitud ikosaeedri, mis koosneb 20 kuusnurgast ja 12 viisnurgast ning meenutab jalgpallipalli (ideaalse kujuna, looduses äärmiselt haruldane) . Kuna fullereeni C 60 iga süsinikuaatom kuulub samaaegselt kahte kuusnurka ja ühte viisnurka, on kõik C 60 aatomid samaväärsed, mida kinnitab 13 C isotoobi tuumamagnetresonantsi (NMR) spekter – see sisaldab ainult ühte rida. Kuid mitte kõik C-C sidemed pole sama pikkusega. C=C side, mis on kahe kuusnurga ühine külg, on 1,39 Å ja C-C side, mis on ühine kuusnurga ja viisnurga jaoks, on pikem ja võrdub 1,44 Å. Lisaks on esimese tüübi side kahekordne ja teine üksikside, mis on C 60 fullereeni keemia jaoks hädavajalik. Tegelikult näitab suurtes kogustes saadud fullereenide omaduste uurimine nende objektiivsete omaduste (keemiline ja sorptsiooniaktiivsus) jaotumist 4 stabiilseks fullereeni isomeeriks, mis on vabalt määratud erinevate väljumisaegadega kõrglahutusega vedelikkromatograafi sorptsioonikolonnist. . Sel juhul on kõigi 4 isomeeri aatommass samaväärne - selle mass on 720 amu. sööma.
Levinuim on C 70 fullereen, mis erineb C 60 fullereenist selle poolest, et C 60 ekvatoriaalsesse piirkonda on sisestatud 10 süsinikuaatomist koosnev vöö, mille tulemusena on 34 molekul pikenenud ja meenutab oma kujult ragbi palli. .
Suuremat arvu süsinikuaatomeid (kuni 400) sisaldavad nn kõrgemad fullereenid tekivad palju väiksemates kogustes ja on sageli üsna keerulise isomeerse koostisega. Enim uuritud kõrgemate fullereenide hulgast võib välja tuua C n , n=74, 76, 78, 80, 82 ja 84.
Süntees
Esimesed fullereenid eraldati kondenseerunud grafiidiaurudest, mis saadi tahkete grafiidiproovide laserkiirgusega. Tegelikult olid need aine jäljed. Järgmise olulise sammu astusid 1990. aastal W. Kretchmer, Lamb, D. Huffman jt, kes töötasid välja meetodi fullereenide grammiliste koguste saamiseks põletades grafiitelektroodid elektrikaares heeliumiatmosfääris madalal rõhul. Anoodi erosiooni käigus settis kambri seintele tahm, mis sisaldab teatud kogust fullereene. Tahm lahustatakse benseenis või tolueenis ning saadud lahusest eraldatakse puhtal kujul grammide kogused C 60 ja C 70 molekule vahekorras 3:1 ja ligikaudu 2% raskemaid fullereene. Seejärel oli võimalik valida elektroodide aurustamise optimaalsed parameetrid (rõhk, atmosfääri koostis, vool, elektroodi läbimõõt), mille juures saavutatakse fullereenide suurim saagis, keskmiselt 3–12% anoodimaterjalist, mis lõppkokkuvõttes määrab ära fullereenide maksumus.
Algul ei viinud kõik katsetajate katsed leida odavamaid ja produktiivsemaid meetodeid fullereenide grammikoguste saamiseks (süsivesinike põletamine leegis, keemiline süntees jne) ning kõige produktiivsemaks jäi kaarmeetod. pikka aega (tootlikkus on umbes 1 g / tunnis) . Seejärel õnnestus Mitsubishil luua fullereenide tööstuslik tootmine süsivesinike põletamise teel, kuid sellised fullereenid sisaldavad hapnikku ja seetõttu on kaaremeetod siiani ainus sobiv meetod puhaste fullereenide saamiseks.
Fullereeni moodustumise mehhanism kaares on endiselt ebaselge, kuna kaare põlemispiirkonnas toimuvad protsessid on termodünaamiliselt ebastabiilsed, mis raskendab oluliselt nende teoreetilist kaalumist. Vaieldamatult tehti kindlaks vaid see, et fullereen on kokku pandud üksikutest süsinikuaatomitest (või C2 fragmentidest). Tõestuseks kasutati anoodelektroodina kõrgelt puhastatud 13 C grafiiti, teine elektrood oli tavalisest 12 C grafiidist.Pärast fullereenide ekstraheerimist näitas NMR, et 12 C ja 13 C aatomid paiknevad juhuslikult. fullereeni pind. See näitab grafiitmaterjali lagunemist üksikuteks aatomiteks või aatomitasandi fragmentideks ja nende järgnevat koondumist fullereeni molekuliks. See asjaolu tingis vajaduse loobuda visuaalsest pildist fullereenide moodustumisest aatomi grafiidikihtide suletud sfäärideks voltimise tulemusena.
Fullereenide tootmisseadmete koguarvu suhteliselt kiire kasv ja pidev töö nende puhastusmeetodite täiustamiseks on viinud C 60 maksumuse olulise vähenemiseni viimase 17 aasta jooksul - 10 tuhandelt 10-15 dollarile. grammi kohta, mis on viinud need tegeliku tööstusliku kasutuse piirile.
Kahjuks ei ole vaatamata Huffman-Kretchmeri (HK) meetodi optimeerimisele võimalik fullereenide saagist suurendada rohkem kui 10-20% põletatud grafiidi kogumassist. Esialgse toote, grafiidi, suhteliselt kõrge hinna tõttu on sellel meetodil põhimõttelised piirangud. Paljud teadlased usuvad, et XC-meetodil saadud fullereenide maksumust alla paari dollari grammi kohta pole võimalik vähendada. Seetõttu on mitmete uurimisrühmade jõupingutused suunatud fullereenide saamise alternatiivsete meetodite leidmisele. Suurima edu saavutas selles valdkonnas Mitsubishi ettevõte, kellel õnnestus süsivesinike leegis põletamise teel luua fullereenide tööstuslik tootmine. Selliste fullereenide maksumus on umbes 5 dollarit grammi kohta (2005), mis ei mõjuta elektrikaare fullereenide maksumust.
Tuleb märkida, et fullereenide kõrget hinda ei määra mitte ainult nende madal saagis grafiidi põlemisel, vaid ka raskused erineva massiga fullereenide eraldamisel, puhastamisel ja eraldamisel tahmast. Tavaline lähenemine on järgmine: grafiidi põletamisel saadud tahm segatakse tolueeni või mõne muu orgaanilise lahustiga (mis on võimeline fullereene tõhusalt lahustama), seejärel segu filtritakse või tsentrifuugitakse ja järelejäänud lahus aurustatakse. Pärast lahusti eemaldamist jääb alles tume peenkristalliline sade – fullereenide segu, mida tavaliselt nimetatakse fulleriidiks. Fulleriidi koostis sisaldab erinevaid kristallilisi moodustisi: väikesed C 60 ja C 70 molekulide kristallid ning C 60 /C 70 kristallid on tahked lahused. Lisaks sisaldab fulleriit alati väikeses koguses kõrgemaid fullereene (kuni 3%). Fullereenide segu eraldamine üksikuteks molekulaarseteks fraktsioonideks viiakse läbi vedelikkolonnkromatograafia ja kõrgsurvevedelikkromatograafia (HPLC) abil. Viimast kasutatakse peamiselt eraldatud fullereenide puhtuse analüüsimiseks, kuna HPLC meetodi analüütiline tundlikkus on väga kõrge (kuni 0,01%). Viimaseks etapiks on tahkest fullereeniproovist lahustijääkide eemaldamine. See viiakse läbi, hoides proovi temperatuuril 150–250 °C dünaamilise vaakumi tingimustes (umbes 0,1 Torr).
Füüsikalised omadused ja rakendusväärtus
Fulleriidid
Fullereeni molekulidest koosnevaid kondenseerunud süsteeme nimetatakse fulleriitideks. Seda tüüpi enim uuritud süsteem on C 60 kristall, vähem - kristalne C 70 süsteem. Kõrgemate fullereenide kristallide uuringuid takistab nende valmistamise keerukus.
Fullereeni molekulis on süsinikuaatomid seotud σ- ja π-sidemetega, samas kui kristallis üksikute fullereeni molekulide vahel keemilist sidet (selle sõna tavalises tähenduses) ei ole. Seetõttu säilitavad üksikud molekulid kondenseeritud süsteemis oma individuaalsuse (mis on oluline, kui arvestada kristalli elektroonilist struktuuri). Molekule hoiavad kristallis van der Waalsi jõud, mis määravad suurel määral tahke C60 makroskoopilised omadused.
Toatemperatuuril on C 60 kristallil näokeskne kuupvõre (fcc) konstandiga 1,415 nm, kuid temperatuuri langedes toimub esimest järku faasisiire (T cr ≈ 260) ja C 60 kristall muutub. selle struktuur lihtkuupseks (võrekonstant 1,411 nm). Temperatuuril T > Tcr pöörlevad C 60 molekulid juhuslikult ümber oma tasakaalukeskme ja kui see langeb kriitilise temperatuurini, siis kaks pöörlemistelge jäätuvad. Pöörete täielik külmumine toimub temperatuuril 165 K. Töös uuriti üksikasjalikult C 70 kristallstruktuuri temperatuuridel, mis on suurusjärgus toatemperatuurist. Nagu selle töö tulemustest järeldub, on seda tüüpi kristallidel kehakeskne (bcc) võre, milles on väike segu kuusnurksest faasist.
Mittelineaarsed optilised omadused
Fullereenide elektroonilise struktuuri analüüs näitab π-elektronsüsteemide olemasolu, mille mittelineaarse tundlikkuse väärtused on suured. Fullereenidel on tõepoolest mittelineaarsed optilised omadused. Kuid C 60 molekuli suure sümmeetria tõttu on teine harmooniline genereerimine võimalik ainult siis, kui süsteemi sisestatakse asümmeetria (näiteks välise elektrivälja toimel). Praktilisest küljest on atraktiivne suur kiirus (~250 ps), mis määrab teise harmoonilise põlvkonna summutuse. Lisaks on C60 fullereenid võimelised genereerima ka kolmandat harmoonilist.
Teine võimalik fullereenide ja ennekõike C 60 kasutusala on optilised aknaluugid. Eksperimentaalselt on näidatud võimalust kasutada seda materjali lainepikkusel 532 nm. Lühike reaktsiooniaeg võimaldab fullereene kasutada laserkiirguse piirajate ja Q-lülititena. Mitmel põhjusel on fullereenidel siin aga raske traditsiooniliste materjalidega konkureerida. Kõrge hind, raskused fullereenide hajutamisel prillides, võime kiiresti oksüdeeruda õhus, mittelineaarse tundlikkuse mitterekordilised koefitsiendid ja kõrge optilise kiirguse piiramise lävi (ei sobi silmade kaitsmiseks) tekitavad tõsiseid raskusi võitluses konkureerivate materjalidega.
Kvantmehaanika ja fullereen
Hüdreeritud fullereen (HyFn); (C 60 (H 2 O) n)
Hüdreeritud C 60 - C 60 HyFn fullereen on tugev hüdrofiilne supramolekulaarne kompleks, mis koosneb C 60 fullereeni molekulist, mis on suletud esimesse hüdratatsioonikestasse ja sisaldab 24 veemolekuli: C 60 @(H 2 O) 24 . Hüdratsioonikiht moodustub vee hapnikumolekulide üksikute paaride-elektronide doonori-aktseptori interaktsiooni tõttu fullereeni pinnal asuvate elektron-aktseptori tsentritega. Samal ajal on fullereeni pinna lähedale orienteeritud veemolekulid omavahel ühendatud mahulise vesiniksidemete võrgustikuga. C60 HyFn suurus vastab 1,6-1,8 nm. Praegu on C 60 maksimaalne kontsentratsioon vees C 60 HyFn kujul võrdne 4 mg/ml-ga. [ kontrolli linki] Paremal foto C 60 HyFn vesilahusest kontsentratsiooniga C 60 0,22 mg/ml.
Fullereen pooljuhttehnoloogia materjalina
Fullereeni molekulaarkristall on pooljuht, mille ribalaius on ~1,5 eV ja mille omadused on suures osas sarnased teiste pooljuhtide omadega. Seetõttu on mitmed uuringud olnud seotud fullereenide kui uue materjali kasutamisega traditsioonilistes elektroonikarakendustes: diood, transistor, fotoelement jne. Siin on nende eeliseks traditsioonilise räni ees lühike fotoreageerimisaeg (ühikutes). ns). Oluliseks puuduseks osutus aga hapniku mõju fullereenkilede juhtivusele ja sellest tulenevalt tekkis vajadus kaitsekatete järele. Selles mõttes on paljutõotavam kasutada fullereeni molekuli iseseisva nanomõõtmelise seadmena ja eelkõige võimendava elemendina.
Fullereen fotoresistina
Nähtava (> 2 eV), ultraviolettkiirguse ja lühema lainepikkusega kiirguse toimel fullereenid polümeriseerivad ja sellisel kujul ei lahustu orgaanilistes lahustites. Fullereeni fotoresisti kasutamise illustreerimiseks võib tuua näite submikronilise eraldusvõime (≈20 nm) saamiseks räni söövitamisel elektronkiirega, kasutades polümeriseeritud C 60 kile maski.
Fullereeni lisandid teemantkilede kasvatamiseks CVD-meetodil
Veel üks huvitav praktilise kasutusvõimalus on fullereeni lisandite kasutamine teemantkilede kasvatamisel CVD meetodil (Chemical Vapor Deposition). Fullereenide sisestamine gaasifaasi on efektiivne kahest vaatenurgast: teemantsüdamike moodustumise kiiruse suurenemine substraadil ja ehitusplokkide tarnimine gaasifaasist substraadile. C 2 fragmendid toimivad ehitusplokkidena, mis osutusid sobivaks materjaliks teemantkile kasvatamiseks. Eksperimentaalselt on näidatud, et teemantkilede kasvukiirus ulatub 0,6 μm/h, mis on 5 korda suurem kui fullereene kasutamata. Teemantide ja muude pooljuhtide vaheliseks tõeliseks konkurentsiks mikroelektroonikas on vaja välja töötada meetod teemantkilede heteroepitakseerimiseks, kuid ühekristallkilede kasv mitteteemantpõhistel alustel on endiselt lahendamatu probleem. Üks võimalik viis selle probleemi lahendamiseks on fullereeni puhverkihi kasutamine substraadi ja teemantkile vahel. Sellesuunaliste uuringute eelduseks on fullereenide hea nakkumine enamiku materjalidega. Need sätted on eriti olulised seoses teemantide intensiivse uurimisega nende kasutamiseks järgmise põlvkonna mikroelektroonikas. Suur jõudlus (kõrge küllastunud triivimiskiirus); Kõigi teadaolevate materjalide kõrgeim soojusjuhtivus ja keemiline vastupidavus muudavad teemandi lootustandvaks materjaliks järgmise põlvkonna elektroonika jaoks.
Ülijuhtivad ühendid C60-ga
Fullereenide molekulaarsed kristallid on pooljuhid, kuid 1991. aasta alguses leiti, et tahke C 60 lisamine väikese koguse leelismetalliga viib metallilise juhtivusega materjali moodustumiseni, mis madalatel temperatuuridel läheb üle ülijuhiks. Doping 60-ga saadakse kristallide töötlemisel metalliauruga mitmesaja kraadi Celsiuse järgi. Sel juhul moodustub X 3 C 60 tüüpi struktuur (X on leelismetalli aatom). Kaalium oli esimene metall, mis interkaleeriti. K 3 C 60 ühendi üleminek ülijuhtivasse olekusse toimub temperatuuril 19 K. See on molekulaarsete ülijuhtide rekordväärtus. Peagi tehti kindlaks, et paljudel fulleriitidel, mis on legeeritud leelismetalli aatomitega vahekorras X 3 C 60 või XY 2 C 60 (X, Y on leelismetalli aatomid), on ülijuhtivus. Seda tüüpi kõrgtemperatuursete ülijuhtide (HTSC) rekordiomanik oli RbCs 2 C 60 - selle T cr = 33 K.
Fullereeni tahma väikeste lisandite mõju PTFE hõõrde- ja kulumisvastastele omadustele
Tuleb märkida, et fullereen C 60 olemasolu mineraalsetes määrdeainetes käivitab 100 nm paksuse kaitsva fullereenpolümeerkile moodustumise vastukehade pinnal. Moodustunud kile kaitseb termilise ja oksüdatiivse lagunemise eest, suurendab hõõrdesõlmede eluiga hädaolukordades 3-8 korda, määrdeainete termilist stabiilsust kuni 400-500 °C ja hõõrdesõlmede kandevõimet 2-3 korda, laiendab hõõrdeagregaatide töörõhuvahemikku 1, 5-2 korda, vähendab vastukehade sissetöötamisaega.
Muud rakendused
Huvitavate rakenduste hulka kuuluvad ka akud ja elektripatareid, milles kasutatakse ühel või teisel viisil fullereeni lisandeid. Need akud põhinevad liitiumkatoodidel, mis sisaldavad interkaleeritud fullereene. Fullereene saab kasutada ka lisandina kunstlike teemantide valmistamisel kõrgsurvemeetodil. Sel juhul suureneb teemantide tootlus ≈30%.
Lisaks on fullereenid leidnud rakendust lisandina paisuvates (paisuvates) tulekindlates värvides. Fullereenide sissetoomise tõttu paisub värv põlemisel temperatuuri mõjul, tekib üsna tihe vaht-koksikiht, mis suurendab mitu korda kuumutamisaega kaitstavate konstruktsioonide kriitilise temperatuurini.
Samuti kasutatakse fullereene ja nende erinevaid keemilisi derivaate koos polükonjugeeritud pooljuhtpolümeeridega päikesepatareide tootmiseks.
Keemilised omadused
Vaatamata asendatavate vesinikuaatomite puudumisele, nagu tavaliste aromaatsete ühendite puhul, saab fullereene siiski funktsionaliseerida erinevate keemiliste meetoditega. Näiteks on fullereenide funktsionaliseerimiseks edukalt rakendatud selliseid reaktsioone nagu Dielsi-Alderi reaktsioon, Prato reaktsioon ja Bingeli reaktsioon. Fullereene saab ka hüdrogeenida, et moodustada tooteid C60H2 kuni C60H50.
meditsiiniline tähtsus
Antioksüdandid
Fullereenid on tänapäeval kõige võimsamad antioksüdandid. Keskmiselt ületavad nad kõigi neile teadaolevate antioksüdantide mõju 100-1000 korda. Just tänu sellele on neil väidetavalt võimalik rottide ja ümarusside keskmist eluiga oluliselt pikendada. Looduslikul kujul leidub seda šungiidis ja mereõhus. Eeldatakse, et oliiviõlis lahustatud C60 fullereeni saab inkorporeerida rakkude ja mitokondrite kahekihilistesse lipiidmembraanidesse ning toimida korduvkasutatava antioksüdandina.
Inimene peab kaitsma oma maja vihma ja külma eest; teie aed kahjurite eest; õhk heitgaasidest; kahjulike tööstusharude lisanditest pärit vesi, see tähendab, et inimene, kes elab oma keskkonnas, peab kaitsma oma keskkonda oma käte loomise, "iseenda" eest.
Kes päästab inimese? Ilu?
Teadlaste sõnul on sellel teatud liik, mis võib meie olemasolu lihtsamaks muuta.
See on polüaatomiliste süsiniku molekulide ilu, mida nimetatakse "fullereenideks".
Fullereenid on jalgpalli moodi kujuga ebatavalised molekulid. Nagu pall, on need seest õõnsad ja neid taheti isegi "jalgpallideks" kutsuda, kuid fullereeniga on jalgpalli võimatu mängida, kuna selle suurus on 1 nanomeeter ehk üks miljardik meetrit.
Fullereenid on neljas, seni tundmatu süsiniku modifikatsioon (esimesed kolm on grafiit, teemant, süsinik). See avastati 1985. aastal ja täiesti juhuslikult. Tähtedevahelist tolmu uuriv inglise keemik ja astrofüüsik Harold Kroto hakkas huvi tundma seal leiduvate süsinikuosakeste vastu. Analüüsiga raskusi kogedes pöördus ta abi saamiseks Ameerika kolleegide Robert Curli ja Richard Smalley poole, kes tegelesid laseri abil ainete aurustamisega. Kõik kolm asusid entusiastlikult tööle. Grafiiti aurustades, et toota otsitud osakesi, olid nad üllatunud, kui leidsid jäägist tundmatuid jalgpallitaolisi süsiniku molekule. Selle loo algatajale Harold Krotole jäi uue molekuli kesta meelde Ameerika arhitekti R.B Fulleri kuulus töö - Ameerika paviljoni geodeetiline kuppel maailmanäitusel EXPO-67. Kroto soovitas uued osakesed nimetada Fulleri järgi. Nii tekkis sõna "fullerenes".
Teadlased saatsid oma avastusest kohe raporti ajakirjale Nature.
Uute molekulide avastamine tekitas nende edasise uurimistöö vastu uskumatut huvi. Puhkes “fullereenibuum”, mis viis nanotehnoloogiate loomiseni ja nende abil seninägematute materjalide ja ühendite väljatöötamiseni, mis olid mõeldud erinevatesse teaduse, tehnika, meditsiini ja farmakoloogia valdkondadesse.
1996. aastal said fullereenide avastamise eest Nobeli keemiaauhinna R. Curl, H. Kroto, R. Smalley. Fullereenid on teinud tõelise revolutsiooni! Ja kuigi seni on selle tulemused märgatavad vaid teaduses ja tehnoloogias, pole revolutsioon meditsiinis enam kaugel.
Revolutsioon seisneb kvalitatiivses hüppes mikro..., meetri miljoniosast nano..., selle miljardiosani. Avame väljavaateid uute ainete saamiseks nanotehnoloogia abil ja loomulikult nanomeditsiini ("nano" tõlkes tähendab "kääbus") tekkimist. Sõna "nanomeditsiin" ei pruugi te veel sõnaraamatutest leida, kuid see tööstusharu on juba deklareerinud oma eksisteerimisõigust.
Väike, kuid täpne:
Vaatleme fullereenide omadusi nende meditsiinis kasutamise seisukohast.
Nende ainete üks tähelepanuväärsemaid omadusi on see, et nad on võimelised looma vesilahuseid. Kõige stabiilsema fullereeni (C60) lisamisega veemolekuli suutsid teadlased luua vesikeskkonna, mis on väga sarnane tervete keharakkude keskkonnaga. Sisseehitatud fullereeniga vesi neutraliseerib vabu radikaale ehk on antioksüdant. Vabad radikaalid on paljude haiguste põhjuseks. Need meie kehas moodustuvad molekulid kahjustavad kromosoome ja põhjustavad rakkude vananemist, vähki ja immuunsuse vähenemist. Nende vastu seisavad antioksüdandid – kasulikud ained, mis ühinevad vabade radikaalidega ja takistavad nende hävitavat mõju.
Tavalised antioksüdandid on tükikesed ühekordselt kasutatavad ained. Oletame, et vitamiinimolekul moodustab vaba radikaaliga kombineerituna kahjutu ühendi ja on mängust väljas. Üks molekul radikaali kohta? Mitte palju! Ja fullereenpall on kauakestev: see püsib mängus kogu aeg, omades maagilist omadust meelitada enda juurde vabu radikaale. Lisaks ühinevad sellised "kleepunud" radikaalid üksteisega ja moodustavad kahjutuid aineid. Fullereeni olemasolu tõttu kiireneb see protsess uskumatult ja seejärel elimineeritakse õnnetud radikaalid karjatult. Fullereeni lahused on kordades tõhusamad kui tavalised antioksüdandid. Samal ajal väidavad teadlased, et fullereen ei ole ravim selle sõna tavalises tähenduses, kuna ravim aitab ravida teatud haigust ja fullereeni lahused toimivad palju laiemalt, kogu organismi mahus.
Ravim eesliitega "nano"
Nende nanopallide võimalused on tõeliselt ammendamatud ega piirdu ainult vabade radikaalidega võitlemisega. Fullereenid on võimelised looma terveid bioaktiivsete ühendite komplekte. Fullereeni õõnsuse tervendava ainega täites saate selle palli otsekui taskusse ajada soovitud punkti. Selliseid fullereene, mida naljatamisi nimetatakse täidisteks, saab kasutada antibiootikumide, vitamiinide ja hormoonide toimetamiseks haigetesse rakkudesse. Eriti palju tööd tehakse ajuhaiguste raviks mõeldud fullereenipreparaatide loomisel. Tel Avivi ülikoolis sünteesiti esmakordselt maailmas fullereenantioksüdant kahjustatud ajurakkude raviks. Selle kasutamine on andnud positiivseid tulemusi senistes loomkatsetes. Eeldatakse selle tehnika edasiarendamist hulgiskleroosi ja Alzheimeri tõve raviks. Fullereenidega tehakse katseid, et viia ravimid läbi naha ilma süste kasutamata. Arendatakse meetodeid elusrakkudesse tungivate viiruste genoomide hävitamiseks kõikvõimsate fullereenide abil. Paljutõotav töö fullereenide kasutamisel vastumürgina. Võid kaua jätkata... Kogu maailmas uuritakse fullereenravimeid vähi vastu ja tulemused on julgustavad!
Kahju, et üks nende avastajatest, Richard Smalley, ei elanud elu andvate nanopallide lõplikku triumfi. Ta suri 2005. aastal.
Süsiniku moodustiste paranemise uurimine jätkub, kuigi see pole veel laboratooriumidest kaugemale jõudnud.
Kiltkivi ja fullereenid:
Silmapaistvad avastused on sageli alguses legendaarsed ja tundub, et need võivad imesid korda saata.
Venemaal algas "fullereenipalavik" eelmise sajandi 90ndate lõpus. Seda seostati süsihappegaasi - šungiidi kivimiga, mille leiukohad avastati Karjalast.
Ühe versiooni järgi andis nõukogude geoloog S. Tsipurski fullereenide avastamisest teada saanud šungiidi, mille ta tõi Karjalast, üle Ameerikas Arizona ülikooli laboratooriumile uurimiseks. Selle Tsipursky enda osalusel läbi viidud uuringu tulemused avaldati 1992. aastal teadusajakirjas avaldatud artiklis. Seal öeldi, et šungiidist leiti tõepoolest väike kogus fullereene. Sellest sai sensatsioon, mis põhjustas šungiidi edasise uurimise meditsiinilistel eesmärkidel.
Šungiidi raviomaduste kohta on aga juba ammu levinud legende. Seda pahaendelist musta kiltkivi kutsuti vanasti kiltkiviks. Siis sai see nime "šungiit" - Karjala Shunga külast, kus selle kivi ladestustest läbis teed tervendava veega allikas. Kohalikud vanainimesed rääkisid, et šungiit ravib sada haavandit. Legendi järgi paranes Boriss Godunovi poolt nendesse piirkondadesse pagendatud bojaar Xenia Romanova siin paljudest vaevustest. See oli esimese Vene tsaari Mihhail Fedorovitši ema. Tema mälestuseks nimetati imeline allikas "Tsarevitši võti". Pärast Xenia vabastamist unustasid nad ta aga. Ksenia Romanova oli Peeter Suure vanavanaema ja tõenäoliselt jõudsid temani perekondlikud legendid kiltkivi raviomadustest. Võib-olla olid kivil ka antiseptilised omadused. Ühel või teisel viisil, kuid on tõendeid selle kohta, et Peeter käskis hoida sõduri seljakottides kiltkivi ja lasta see veepottidesse, "et säilitada oma kõhu tugevust". Poltava lahingus lüüa saanud Rootsi armee sõdurid ei suutnud "kõhukindlust" ilmselgelt päästa: 1709. aasta kuumal suvel lõi toonane düsenteeria epideemia neid päris korralikult.
Šungiitkivimeid kasutatakse ehituses ja metallurgias ning viimasel ajal on šungiiti edukalt kasutatud veepuhastusfiltrites.
2003. aastal ehk kümme aastat pärast esimest sensatsioonilist väljaannet avaldati ajakirjas Journal of the American Geological Society artikkel, mis teatas, et põhjalikud kontrollid ei kinnitanud fullereenide esinemist šungiidis. Lisaks, isegi kui need oleksid olemas, ei tekitaks ravitoimet mitte kivi ise, vaid selle vesilahus.
Orgaaniline elektroonika:
Georgia Tehnoloogiainstituudi teadlased on oma uurimistöö tulemusena loonud C60 fullereenidel põhineva kiire väljatransistoride maatriksi.
Professor Bernard Kippelen märkis, et orgaanilised pooljuhid on nanoelektroonikas täiesti uus, kaasaegne ja väga paljulubav materjal.
Orgaanilise nanoelektroonika ulatus on tohutu: ekraanidest ja aktiivsetest elektroonilistest stendidest kuni RFID-märgendite ja paindlike arvutiteni.
Nanokosmeetika: ilurakud:
Nanotehnoloogiat alles uuritakse, kuid juba on olemas terve rida ilutooteid, mis kasutavad fullereenide imelisi omadusi. Selliste toodete pakendile kirjutatakse tavaliselt: "sisaldab fullereene" või "sisaldab C60" (see on selle rühma kõige stabiilsem molekul). Tootjad väidavad, et fullereenidega kreemid parandavad oluliselt küpse naha seisundit, aeglustavad vananemisprotsesse, säilitavad näo elastsuse ja värskuse.
Vahi all:
Nanomeditsiin on haigustevastases võitluses täiesti uus suund. Ja vaatamata sellele, et tema ideed ja projektid on alles laboriuuringute staadiumis, pole kahtlustki, et tulevik kuulub nanomeditsiinile.
Fullereene leidub kõikjal looduses ja eriti seal, kus on süsinikku ja palju energiat. Need eksisteerivad süsiniktähtede läheduses, tähtedevahelises ruumis, välgulöögi kohtades, vulkaanikraatrite läheduses ja tekivad gaasi põletamisel koduses gaasipliidis või tavalise tulemasina leegis.
Fullereene leidub ka iidsete süsinikukivimite kogunemiskohtades. Eriline koht on Karjala mineraalidel - šungiit. Need kivimid, mis sisaldavad kuni 80% puhast süsinikku, on umbes 2 miljardit aastat vanad. Nende päritolu olemus pole siiani selge. Üks eeldusi on suure süsinikmeteoriidi langemine.
Fullereenid šungiitides (fullereenid šungiitkivis) on teema, mida käsitletakse laialdaselt paljudes trükitud väljaannetes ja veebisaitide lehtedel. Selles küsimuses on palju vastakaid arvamusi, millega seoses on nii šungiittoodete lugejatel kui ka kasutajatel palju küsimusi. Kas šungiidid sisaldavad tõesti süsiniku molekulaarset vormi – fullereene? Kas ravim "Marcial Waters" sisaldab fullereene? Kas šungiidiga immutatud vett saab juua ja mis kasu sellest on? Tuginedes meie erinevate šungiitide omaduste teadusuuringute kogemusele, esitame allpool oma arvamuse nende ja mõne muu korduma kippuva küsimuse kohta.
Praeguseks on laialt levinud Karjala šungiitidest valmistatud tooted. Need on erinevad veepuhastusfiltrid, püramiidid, ripatsid, elektromagnetkiirguse eest varjavad tooted, pastad ja lihtsalt šungiitkillustik ning paljud muud tüüpi tooted, mida pakutakse ennetus-, ravi- ja tervist parandava vahendina. Samas on viimastel aastatel reeglina omistatud eri tüüpi šungiidi raviomadusi neis sisalduvatele fullereenidele.
Vahetult pärast fullereenide avastamist 1985. aastal algas nende aktiivne otsimine Looduses. Karjala šungiidist on leitud fullereene, nagu on kirjeldatud erinevates teadusväljaannetes. Oleme omakorda välja töötanud alternatiivsed metoodilised lähenemisviisid fullereenide eraldamiseks šungiitidest ja nende olemasolu tõestamiseks. Uuringutes analüüsiti Zaonezhye erinevatest piirkondadest võetud proove, kus esinevad šungiitkivimid. Enne analüüsimist purustati šungiidi proovid mikrodisperssesse olekusse.
Tuletame meelde, et šungiidid on ažuurne silikaatvõre, mille tühimikud on täidetud šungiitsüsinikuga, mis oma struktuuris on vaheprodukt amorfse süsiniku ja grafiidi vahel. Ka šungiidisüsinikus leidub tundmatu keemilise koostisega looduslikke madala ja kõrge molekulmassiga orgaanilisi ühendeid (NONVS). Šungiidid erinevad mineraalse aluse (alumosilikaat, räni, karbonaat) ja šungiidi süsiniku koostise poolest. Šungiidid jagunevad madala süsinikusisaldusega (kuni 5% C), keskmise süsinikusisaldusega (5-25% C) ja kõrge süsinikusisaldusega (25-80% C). Pärast šungiidi täielikku põlemist tuhas leitakse lisaks ränile Fe, Ni, Ca, Mg, Zn, Cd, V, Mo, Cu, Ce, As, W jt elemente.
Šungiidi süsinikus sisalduv fullereen on PONVS-iga spetsiaalsete polaarsete doonor-aktseptor komplekside kujul. Seetõttu ei toimu fullereenide tõhusat ekstraheerimist sellest orgaaniliste lahustitega, näiteks tolueeniga, milles fullereenid on hästi lahustuvad, ja sellise ekstraheerimismeetodi valik toob sageli kaasa vastuolulisi tulemusi fullereenide tegeliku esinemise kohta šungiidis. .
Sellega seoses oleme välja töötanud meetodi šungiidi vesi-detergendi dispersiooni ultraheliga ekstraheerimiseks, millele järgneb fullereenide ülekandmine polaarsest keskkonnast orgaanilise lahusti faasi. Pärast mitmeid ekstraheerimise, kontsentreerimise ja puhastamise etappe on võimalik saada lahust heksaanis, mille UV- ja IR-spekter on iseloomulikud puhta C 60 fullereeni spektritele. Samuti on selge signaal massispektris m/z = 720 (joonis allpool) ühemõtteline kinnitus ainult С60 fullereeni olemasolule šungiitides.
Šungiidiekstrakti 252 Cf-PD massispekter. 720 a.m.u signaal on С60 fullereen ja signaalid 696, 672 juures on iseloomulikud killustunud С60 fullereeni ioonid, mis on moodustunud plasmadesorptsiooni ionisatsiooni tingimustes.
Siiski leidsime, et mitte iga šungiidi proov ei sisalda fullereene. Kõigist Venemaa Teaduste Akadeemia Karjala Teaduskeskuse Geoloogia Instituudi (Petrosavodsk, Venemaa) poolt meile antud šungiidiproovidest, mis on valitud erinevatest šungiitkivimite esinemispiirkondadest, leiti C 60 fullereeni ainult ühest proovist. suure süsinikusisaldusega šungiit, mis sisaldab üle 80% süsinikku. Lisaks sisaldas see umbes 0,04 massiprotsenti. %. Sellest võime järeldada, et mitte iga šungiidi proov ei sisalda fullereeni, vähemalt selles koguses, mis on selle tuvastamiseks saadaval tänapäevaste ülitundlike füüsikalise ja keemilise analüüsi meetoditega.
Lisaks on hästi teada, et šungiidid võivad sisaldada üsna suurel hulgal lisandeid, sealhulgas raskete polüvalentsete metallide ioone. Seetõttu võib šungiidiga infundeeritud vesi sisaldada soovimatuid toksilisi lisandeid.
Aga miks siis Marcial veel (Karjala looduslik vesi, mis läbib šungiiti sisaldavaid kivimeid) on nii ainulaadsed bioloogilised omadused. Tuletame meelde, et juba Peeter I ajal ja tema isiklikul initsiatiivil avati Karjalas raviallikas "Marcial Waters" (vt täpsemalt). Pikka aega ei osanud keegi seletada selle allika eriliste raviomaduste põhjust. Eeldati, et nende vete suurenenud rauasisaldus on tervendava toime põhjuseks. Siiski on Maal palju rauda sisaldavaid allikaid, kuid reeglina on nende tarbimise tervendav toime üsna piiratud. Alles pärast fullereeni avastamist šungiitkivimitest, millest allikas voolab, tekkis oletus, et fullereen on peamine põhjus, võitluse vete ravitoime kulminatsioon.
Tõepoolest, "pestud" šungiitkivimi kihte pikka aega läbiv vesi ei sisalda märgatavas koguses kahjulikke lisandeid. Vesi on "küllastunud" selle struktuuriga, mille kivi talle annab. Šungiidis sisalduv fullereen aitab kaasa veestruktuuride korrastamisele ja selles fullereenilaadsete hüdraadiklastrite moodustumisele ning võitlusvee ainulaadsete bioloogiliste omaduste omandamisele. Fullereeniga legeeritud šungiit on seda läbiva vee loomulik struktureerija. Samas ei ole veel keegi suutnud tuvastada fullereene võitlusveest ega šungiidi veeinfusioonist: kas neid ei uhtuta šungiidist välja või kui uhutakse välja, siis nii nappides kogustes, mida ei tuvastata. mis tahes tuntud meetodil. Lisaks on hästi teada, et fullereenid ei lahustu vees spontaanselt. Ja kui Marsi vees sisalduksid fullereeni molekulid, säiliksid selle kasulikud omadused väga pikka aega. See on aga aktiivne vaid lühikest aega. Lisaks kobaratest, jäätaolistest struktuuridest küllastunud "sulaveele" säilitab Marcial vesi, mis sisaldab elustavaid fullereenilaadseid struktuure, oma omadused vaid mõne tunni. Marsivee, aga ka "sulatatud vee" säilitamisel hävivad tellitud veekogumid ise ja vesi omandab struktuursed omadused nagu tavaline vesi. Seetõttu pole mõtet sellist vett konteineritesse valada ja pikka aega säilitada. Sellel puudub struktuuri moodustav ja struktuuri toetav element, hüdraatunud olekus C60 fullereen, mis suudab suvaliselt pikka aega säilitada korrastatud veekogusid. Teisisõnu, selleks, et vesi säilitaks oma looduslikud kobarstruktuurid pikka aega, on vajalik struktuuri moodustava teguri pidev olemasolu selles. Selleks on fullereeni molekul optimaalne, nagu oleme näinud juba aastaid, uurides hüdraatunud C 60 fullereeni ainulaadseid omadusi.
Kõik sai alguse 1995. aastal, kui töötasime välja meetodi hüdraatunud fullereenide molekulaarkolloidsete lahuste saamiseks vees. Samal ajal tutvusime raamatuga, mis räägib Sõjavete ebatavalistest omadustest. Proovisime laboritingimustes reprodutseerida võitlusvee looduslikku olemust. Selleks kasutati kõrge puhastusastmega vett, millele lisati spetsiaalse tehnoloogia järgi väga väikestes annustes hüdraatunud C 60 fullereeni. Pärast seda hakati läbi viima erinevaid bioloogilisi teste üksikute biomolekulide, elusrakkude ja kogu organismi tasandil. Tulemused olid hämmastavad. Peaaegu kõigi patoloogiate puhul leidsime vee ja hüdraatunud C60 fullereeni mõjul ainult positiivseid bioloogilisi mõjusid ning selle kasutamise mõjud mitte ainult ei langenud täielikult kokku, vaid isegi ületasid paljude parameetrite poolest neid mõjusid, mida Peetruse raamatus kirjeldati sõjavete kohta. korda. Paljud elusorganismis esinevad patoloogilised muutused kaovad ja see naaseb oma normaalsesse tervislikku olekusse. Kuid see pole sihipärase toimega ravim ega võõras keemiline ühend, vaid lihtsalt vees lahustatud süsinikupall. Veelgi enam, jääb mulje, et hüdraatunud fullereen C 60 aitab viia kõik negatiivsed muutused kehas tagasi “normaalsesse olekusse”, taastades ja säilitades struktuure, mille ta maatriksina elu sünniprotsessis tekitas.
Seetõttu pole ilmselt juhus, et Orlov A.D. oma raamatus "Šungiit – puhta vee kivi.", kõrvutades šungiitide ja fullereenide omadusi, räägib ta viimastest kui tervise kvintessentsist.
1. Buseck et al. Fullereenid geoloogilisest keskkonnast. Teadus 10. juuli 1992: 215-217. DOI: 10.1126/teadus.257.5067.215.
2. N.P. Juškin. Šungiidi globulaarne supramolekulaarne struktuur: skaneerivad tunnelmikroskoopia andmed. DAN, 1994, v. 337, nr 6 lk. 800-803.
3. V.A. Reznikov. Yu.S. Polehovski. Amorfne šungiit süsinik on fullereenide moodustumise looduslik keskkond. Kirjad ZhTF-ile. 2000. v. 26. c. 15. lk.94-102.
4. Peter R. Buseck. Geoloogilised fullereenid: ülevaade ja analüüs. Earth and Planetary Science Letters. V 203, I 3-4, 15. november 2002, lk 781-792
5.N.N. Rožkova, G. V. Andrievski. Šungiidist süsinikul põhinevad kolloidsed vesisüsteemid ja fullereenide ekstraheerimine neist. The 4th Biennaal International Workshop in Russia "Fullerenes and Atomic Clusters" IWFAC"99 4. - 8. oktoober 1999, Peterburi, Venemaa. Book of Abstracts, lk.330.
6. N.N. Rožkova, G.V. Andrievski. Fullereenid šungiit süsinikus. laup. teaduslik Internatsionaali toimetised Sümpoosion “Fullereenid ja fullereenilaadsed struktuurid”: 5.-8. juuni 2000, BSU, Minsk, 2000, lk 63-69.
7. N.N. Rožkova, G.V. Andrievski. Šungiidi süsiniku nanokolloidid. fullereenide ekstraheerimine vesilahustega. laup. Teaduslik III rahvusvahelise seminari "Mineraloogia ja elu: biomineraalide homoloogia" materjal, 6.-8. juuni 2000, Sõktõvkar, Venemaa, Geoprint, 2000, lk 53-55.
8. S.A. Višnevski. Karjala meditsiinipiirkonnad. Karjala NSV Riiklik Kirjastus, Petroskoi, 1957, 57 lk.
9. Fullereenid: tervise kvintessents. Peatükk lk. 79-98 raamatus: A.D. Orlov. "Šungiit - puhta vee kivi." Moskva-Peterburi: "Dilya kirjastus", 2004. - 112 lk; ja Internetis saidil (www.golkom.ru/book/36.html).
Fullereen C 60
Fullereen C 540
Fullereenid, buckyballs või buckyballs- molekulaarsed ühendid, mis kuuluvad süsiniku allotroopsete vormide klassi (teised on teemant, karbüün ja grafiit) ja kujutavad endast kumeraid suletud polüeedreid, mis koosnevad paarisarvust kolmest koordineeritud süsinikuaatomist. Need ühendused võlgnevad oma nime insenerile ja disainerile Richard Buckminster Fullerile, kelle geodeetilised rajatised on ehitatud sellel põhimõttel. Algselt piirdus see liigeste klass konstruktsioonidega, mis sisaldasid ainult viis- ja kuusnurkseid tahke. Pange tähele, et sellise suletud hulktahuka olemasolu jaoks, mis on ehitatud n tipud, mis moodustavad ainult viis- ja kuusnurksed tahud vastavalt Euleri teoreemile polüheedri kohta, mis kinnitab võrdsuse kehtivust | n | − | e | + | f | = 2 (kus | n | , | e| ja | f| vastavalt tippude, servade ja tahkude arv), vajalik tingimus on täpselt 12 viisnurkse tahu olemasolu ja n/ 2 − 10 kuusnurkset tahku. Kui fullereeni molekul sisaldab lisaks süsinikuaatomitele ka teiste keemiliste elementide aatomeid, siis kui süsinikupuuris paiknevad teiste keemiliste elementide aatomid, nimetatakse selliseid fullereene endoeedriliseks, kui väljastpoolt - eksoeedriliseks.
Fullereenide avastamise ajalugu
Fullereenide struktuursed omadused
Fullereeni molekulides paiknevad süsinikuaatomid korrapäraste kuusnurkade ja viisnurkade tippudes, mis moodustavad kera või ellipsoidi pinna. Fullereeni perekonna kõige sümmeetrilisem ja põhjalikumalt uuritud esindaja on fullereen (C 60), milles süsinikuaatomid moodustavad kärbitud ikosaeedri, mis koosneb 20 kuusnurgast ja 12 viisnurgast ning meenutab jalgpallipalli. Kuna C 60 fullereeni iga süsinikuaatom kuulub samaaegselt kahte kuusnurka ja ühte viisnurka, on kõik C 60 aatomid samaväärsed, mida kinnitab 13 C isotoobi tuumamagnetresonantsi (NMR) spekter – see sisaldab ainult ühte rida. Kuid mitte kõik C-C sidemed pole sama pikkusega. C=C side, mis on kahe kuusnurga ühine külg, on 1,39 Å ja C-C side, mis on ühine kuusnurga ja viisnurga jaoks, on pikem ja võrdub 1,44 Å. Lisaks on esimese tüübi side kahekordne ja teine üksikside, mis on C 60 fullereeni keemia jaoks hädavajalik.
Levinuim on C 70 fullereen, mis erineb C 60 fullereenist selle poolest, et C 60 ekvatoriaalsesse piirkonda on sisestatud 10 süsinikuaatomist koosnev vöö, mille tulemusena on C 70 molekul piklik ja meenutab omas ragbipalli. kuju.
Suuremat arvu süsinikuaatomeid (kuni 400) sisaldavad nn kõrgemad fullereenid tekivad palju väiksemates kogustes ja on sageli üsna keerulise isomeerse koostisega. Enim uuritud kõrgemate fullereenide hulgast võib välja tuua C n , n=74, 76, 78, 80, 82 ja 84.
Fullereenide süntees
Esimesed fullereenid eraldati kondenseerunud grafiidiaurudest, mis saadi tahkete grafiidiproovide laserkiirgusega. Tegelikult olid need aine jäljed. Järgmise olulise sammu astusid 1990. aastal W. Kretchmer, Lamb, D. Huffman jt, kes töötasid välja meetodi fullereenide grammiliste koguste saamiseks põletades grafiitelektroodid elektrikaares heeliumiatmosfääris madalal rõhul. . Anoodi erosiooni käigus settis kambri seintele tahm, mis sisaldab teatud kogust fullereene. Seejärel oli võimalik valida elektroodide aurustamise optimaalsed parameetrid (rõhk, atmosfääri koostis, vool, elektroodi läbimõõt), mille juures saavutatakse fullereenide suurim saagis, keskmiselt 3–12% anoodimaterjalist, mis lõppkokkuvõttes määrab ära fullereenide maksumus.
Algul ei viinud kõik katsetajate katsed leida odavamaid ja produktiivsemaid meetodeid fullereenide grammikoguste saamiseks (süsivesinike põletamine leegis, keemiline süntees jne) ning kõige produktiivsemaks jäi kaarmeetod. pikka aega (tootlikkus on umbes 1 g / tunnis) . Seejärel õnnestus Mitsubishil luua fullereenide tööstuslik tootmine süsivesinike põletamise teel, kuid sellised fullereenid sisaldavad hapnikku ja seetõttu on kaarmeetod siiani ainuke sobiv meetod puhaste fullereenide saamiseks.
Fullereeni moodustumise mehhanism kaares on endiselt ebaselge, kuna kaare põlemispiirkonnas toimuvad protsessid on termodünaamiliselt ebastabiilsed, mis raskendab oluliselt nende teoreetilist kaalumist. Vaieldamatult tehti kindlaks vaid see, et fullereen on kokku pandud üksikutest süsinikuaatomitest (või C2 fragmentidest). Tõestuseks kasutati anoodelektroodina kõrgelt puhastatud 13 C grafiiti, teine elektrood oli tavalisest 12 C grafiidist.Pärast fullereenide ekstraheerimist näitas NMR, et 12 C ja 13 C aatomid paiknevad juhuslikult. fullereeni pind. See näitab grafiitmaterjali lagunemist üksikuteks aatomiteks või aatomitasandi fragmentideks ja nende järgnevat koondumist fullereeni molekuliks. See asjaolu tingis vajaduse loobuda visuaalsest pildist fullereenide moodustumisest aatomi grafiidikihtide suletud sfäärideks voltimise tulemusena.
Fullereenide tootmisseadmete koguarvu suhteliselt kiire kasv ja pidev töö nende puhastusmeetodite täiustamiseks on viinud C 60 maksumuse olulise vähenemiseni viimase 17 aasta jooksul - 10 000 dollarilt 10-15 dollarile. grammi kohta, mis viis nad nende tegeliku tööstusliku kasutuse piirile.
Kahjuks ei ole vaatamata Huffman-Kretchmeri (HK) meetodi optimeerimisele võimalik fullereenide saagist suurendada rohkem kui 10-20% põletatud grafiidi kogumassist. Arvestades esialgse toote, grafiidi, suhteliselt kõrget hinda, saab selgeks, et sellel meetodil on põhimõttelised piirangud. Paljud teadlased usuvad, et XC-meetodil saadud fullereenide maksumust alla paari dollari grammi kohta pole võimalik vähendada. Seetõttu on mitmete uurimisrühmade jõupingutused suunatud fullereenide saamise alternatiivsete meetodite leidmisele. Suurima edu saavutas selles valdkonnas Mitsubishi ettevõte, kes, nagu eespool mainitud, suutis süsivesinikke leegis põletades luua fullereenide tööstusliku tootmise. Selliste fullereenide maksumus on umbes 5 dollarit grammi kohta (2005), mis ei mõjutanud elektrikaare fullereenide maksumust.
Tuleb märkida, et fullereenide kõrget hinda ei määra mitte ainult nende madal saagis grafiidi põlemisel, vaid ka raskused erineva massiga fullereenide eraldamisel, puhastamisel ja eraldamisel tahmast. Tavaline lähenemine on järgmine: grafiidi põletamisel saadud tahm segatakse tolueeni või mõne muu orgaanilise lahustiga (mis on võimeline fullereene tõhusalt lahustama), seejärel segu filtritakse või tsentrifuugitakse ja järelejäänud lahus aurustatakse. Pärast lahusti eemaldamist jääb alles tume peenkristalliline sade – fullereenide segu, mida tavaliselt nimetatakse fulleriidiks. Fulleriidi koostis sisaldab erinevaid kristallilisi moodustisi: väikesed C 60 ja C 70 molekulide kristallid ning C 60 /C 70 kristallid on tahked lahused. Lisaks sisaldab fulleriit alati väikeses koguses kõrgemaid fullereene (kuni 3%). Fullereenide segu eraldamine üksikuteks molekulaarfraktsioonideks viiakse läbi kolonnide vedelikkromatograafia ja kõrgsurvevedelikkromatograafia (HPLC) abil. Viimast kasutatakse peamiselt eraldatud fullereenide puhtuse analüüsimiseks, kuna HPLC meetodi analüütiline tundlikkus on väga kõrge (kuni 0,01%). Viimaseks etapiks on tahkest fullereeniproovist lahustijääkide eemaldamine. See viiakse läbi proovi hoidmisega temperatuuril 150-250 o C dünaamilises vaakumis (umbes 0,1 Torr).
Fullereenide füüsikalised omadused ja rakendusväärtus
Fulleriidid
Fullereeni molekulidest koosnevaid kondenseerunud süsteeme nimetatakse fulleriitideks. Seda tüüpi enim uuritud süsteem on C 60 kristall, vähem - kristalne C 70 süsteem. Kõrgemate fullereenide kristallide uuringuid takistab nende valmistamise keerukus. Fullereeni molekulis on süsinikuaatomid seotud σ- ja π-sidemetega, samas kui kristallis üksikute fullereeni molekulide vahel keemilist sidet (selle sõna tavalises tähenduses) ei ole. Seetõttu säilitavad üksikud molekulid kondenseeritud süsteemis oma individuaalsuse (mis on oluline, kui arvestada kristalli elektroonilist struktuuri). Molekule hoiavad kristallis van der Waalsi jõud, mis määravad suuresti tahke aine C 60 makroskoopilised omadused.
Toatemperatuuril on C 60 kristallil näokeskne kuupvõre (fcc) konstandiga 1,415 nm, kuid temperatuuri langedes toimub esimest järku faasisiire (Tcr ≈260 K) ja C 60 kristall muutub. selle struktuur lihtsaks kuupmeetriks (võrekonstant 1,411 nm) . Temperatuuril T > Tcr pöörlevad C 60 molekulid juhuslikult ümber oma tasakaalukeskme ja kui see langeb kriitilise temperatuurini, siis kaks pöörlemistelge jäätuvad. Pöörete täielik külmumine toimub temperatuuril 165 K. Töös uuriti üksikasjalikult C 70 kristallstruktuuri temperatuuridel, mis on suurusjärgus toatemperatuurist. Nagu selle töö tulemustest järeldub, on seda tüüpi kristallidel kehakeskne (bcc) võre, milles on väike segu kuusnurksest faasist.
Fullereenide mittelineaarsed optilised omadused
Fullereenide elektroonilise struktuuri analüüs näitab π-elektronsüsteemide olemasolu, mille mittelineaarse tundlikkuse väärtused on suured. Fullereenidel on tõepoolest mittelineaarsed optilised omadused. Kuid C 60 molekuli suure sümmeetria tõttu on teine harmooniline genereerimine võimalik ainult siis, kui süsteemi sisestatakse asümmeetria (näiteks välise elektrivälja toimel). Praktilisest küljest on atraktiivne suur kiirus (~250 ps), mis määrab teise harmoonilise põlvkonna summutuse. Lisaks on C60 fullereenid võimelised genereerima ka kolmandat harmoonilist.
Teine võimalik fullereenide ja ennekõike C 60 kasutusala on optilised aknaluugid. Eksperimentaalselt on näidatud võimalust kasutada seda materjali lainepikkusel 532 nm. Lühike reaktsiooniaeg võimaldab fullereene kasutada laserkiirguse piirajate ja Q-lülititena. Mitmel põhjusel on fullereenidel siin aga raske traditsiooniliste materjalidega konkureerida. Kõrge hind, raskused fullereenide hajutamisel prillides, võime kiiresti oksüdeeruda õhus, mittelineaarse tundlikkuse mitterekordilised koefitsiendid ja kõrge optilise kiirguse piiramise lävi (ei sobi silmade kaitsmiseks) tekitavad tõsiseid raskusi võitluses konkureerivate materjalidega.
Kvantmehaanika ja fullereen
Hüdreeritud fullereen (HyFn); (C60 @ (H2O) n)
Vesilahus C 60 HyFn
Hüdreeritud C 60 - C 60 HyFn fullereen on tugev hüdrofiilne supramolekulaarne kompleks, mis koosneb C 60 fullereeni molekulist, mis on suletud esimesse hüdratatsioonikestasse ja sisaldab 24 veemolekuli: C 60 @(H 2 O) 24 . Hüdratsioonikest moodustub vees olevate üksikute hapniku hapnikumolekulide paaride doonori-aktseptori interaktsiooni tõttu fullereeni pinnal asuvate elektron-aktseptorkeskustega. Samal ajal on fullereeni pinna lähedale orienteeritud veemolekulid omavahel ühendatud mahulise vesiniksidemete võrgustikuga. C60 HyFn suurus vastab 1,6-1,8 nm. Praegu on C 60 maksimaalne kontsentratsioon vees C 60 HyFn kujul võrdne 4 mg/ml-ga. Paremal foto C 60 HyFn vesilahusest kontsentratsiooniga C 60 0,22 mg/ml.
Fullereen pooljuhttehnoloogia materjalina
Molekulaarne fullereeni kristall on pooljuht, mille ribavahemik on ~1,5 eV ja mille omadused on suures osas sarnased teiste pooljuhtide omadega. Seetõttu on mitmed uuringud olnud seotud fullereenide kui uue materjali kasutamisega traditsioonilistes elektroonikarakendustes: diood, transistor, fotoelement jne. Siin on nende eeliseks traditsioonilise räni ees lühike fotoreageerimisaeg (ühikutes). ns). Oluliseks puuduseks osutus aga hapniku mõju fullereenkilede juhtivusele ja sellest tulenevalt tekkis vajadus kaitsekatete järele. Selles mõttes on paljutõotavam kasutada fullereeni molekuli iseseisva nanomõõtmelise seadmena ja eelkõige võimendava elemendina.
Fullereen fotoresistina
Nähtava (> 2 eV), ultraviolettkiirguse ja lühema lainepikkusega kiirguse toimel fullereenid polümeriseerivad ja sellisel kujul ei lahustu orgaanilistes lahustites. Fullereeni fotoresisti kasutamise illustreerimiseks võib tuua näite submikronilise eraldusvõime (≈20 nm) saamiseks räni söövitamisel elektronkiirega, kasutades polümeriseeritud C 60 kile maski.
Fullereeni lisandid teemantkilede kasvatamiseks CVD-meetodil
Veel üks huvitav praktilise kasutusvõimalus on fullereeni lisandite kasutamine teemantkilede kasvatamisel CVD meetodil (Chemical Vapor Deposition). Fullereenide sisestamine gaasifaasi on efektiivne kahest vaatenurgast: teemantsüdamike moodustumise kiiruse suurenemine substraadil ja ehitusplokkide tarnimine gaasifaasist substraadile. C 2 fragmendid toimivad ehitusplokkidena, mis osutusid sobivaks materjaliks teemantkile kasvatamiseks. Eksperimentaalselt on näidatud, et teemantkilede kasvukiirus ulatub 0,6 µm/h, mis on 5 korda suurem kui fullereene kasutamata. Teemantide ja muude pooljuhtide vaheliseks tõeliseks konkurentsiks mikroelektroonikas on vaja välja töötada meetod teemantkilede heteroepitakseerimiseks, kuid ühekristallkilede kasv mitteteemantpõhistel alustel on endiselt lahendamatu probleem. Üks võimalik viis selle probleemi lahendamiseks on fullereeni puhverkihi kasutamine substraadi ja teemantkile vahel. Sellesuunaliste uuringute eelduseks on fullereenide hea nakkumine enamiku materjalidega. Need sätted on eriti olulised seoses teemantide intensiivse uurimisega nende kasutamiseks järgmise põlvkonna mikroelektroonikas. Suur jõudlus (kõrge küllastunud triivimiskiirus); Kõigi teadaolevate materjalide kõrgeim soojusjuhtivus ja keemiline vastupidavus muudavad teemandi lootustandvaks materjaliks järgmise põlvkonna elektroonika jaoks.
Ülijuhtivad ühendid C60-ga
Molekulaarsed fullereeni kristallid on pooljuhid, kuid 1991. aasta alguses leiti, et tahke C 60 dopimine väikese koguse leelismetalliga viib metallilise juhtivusega materjali moodustumiseni, mis madalatel temperatuuridel läheb üle ülijuhiks. Doping 60-ga saadakse kristallide töötlemisel metalliauruga mitmesaja kraadi Celsiuse järgi. Sel juhul moodustub X 3 C 60 tüüpi struktuur (X on leelismetalli aatom). Esimene interkaleeritud metall oli kaalium. K 3 C 60 ühendi üleminek ülijuhtivasse olekusse toimub temperatuuril 19 K. See on molekulaarsete ülijuhtide rekordväärtus. Peagi tehti kindlaks, et paljud fulleriidid, mis on legeeritud leelismetalli aatomitega vahekorras X 3 C 60 või XY 2 C 60 (X, Y on leelismetalli aatomid), omavad ülijuhtivust. Seda tüüpi kõrgtemperatuursete ülijuhtide (HTSC) rekordiomanik oli RbCs 2 C 60 - selle T cr = 33 K.
Fullereeni tahma väikeste lisandite mõju PTFE hõõrde- ja kulumisvastastele omadustele
Tuleb märkida, et C60 fullereeni olemasolu mineraalsetes määrdeainetes käivitab täismõõtmelise fullereeni kaitsva kile moodustumise, mille paksus on 100 nm. Moodustunud kile kaitseb termilise ja oksüdatiivse lagunemise eest, suurendab hõõrdesõlmede eluiga hädaolukordades 3-8 korda, määrdeainete termilist stabiilsust kuni 400-500ºС ja hõõrdesõlmede kandevõimet 2-3 korda, laiendab hõõrdesõlmede töörõhuvahemik 1,5-2 korda, vähendab vastukehade sissetöötamisaega.
Fullereenide muud rakendused
Huvitavate rakenduste hulka kuuluvad ka akud ja elektripatareid, milles kasutatakse ühel või teisel viisil fullereeni lisandeid. Need akud põhinevad liitiumkatoodidel, mis sisaldavad interkaleeritud fullereene. Fullereene saab kasutada ka lisandina kunstlike teemantide valmistamisel kõrgsurvemeetodil. Sel juhul suureneb teemantide tootlus ≈30%. Fullereene saab kasutada ka apteekides uute ravimite loomiseks. Lisaks on fullereenid leidnud rakendust lisandina paisuvates (paisuvates) tulekindlates värvides. Fullereenide sissetoomise tõttu paisub värv põlemisel temperatuuri mõjul, tekib üsna tihe vaht-koksikiht, mis suurendab mitu korda kuumutamisaega kaitstavate konstruktsioonide kriitilise temperatuurini. Samuti kasutatakse fullereene ja nende erinevaid keemilisi derivaate koos polükonjugeeritud pooljuhtpolümeeridega päikesepatareide tootmiseks.
Fullereenide keemilised omadused
Fullereenid, hoolimata vesinikuaatomite puudumisest, mida saab asendada nagu tavapäraste
fullereenid selle mõiste kõige üldisemas tähenduses võib nimetada eksperimentaalselt saadud ja hüpoteetilisi molekule, mis koosnevad eranditult süsinikuaatomitest ja millel on kumera hulktahuka kuju. Süsinikuaatomid asuvad nende tippudes ja piki servi kulgevad C-C sidemed.
Fullereen on süsiniku molekulaarne vorm. Levinud määratlus on see fullereenid, mis on tahkes olekus, nimetatakse fulleriidid. Fulleriidi kristallstruktuur on fullereeni molekulide perioodiline võre ja kristallilises fulleriidis moodustavad fullereeni molekulid fcc võre.
Fullereen on pakkunud huvi astronoomia, füüsika, bioloogia, keemia, geoloogia ja muude teaduste vastu alates üheksakümnendate aastate algusest. Fullereenile omistatakse fantastilisi raviomadusi: näiteks on fullereeni väidetavalt juba hakatud kasutama kosmeetikas noorendava vahendina kosmetoloogias. Fullereeni abil hakkavad nad võitlema vähi, HIV-i ja muude kohutavate haigustega. Samas ei võimalda nende andmete uudsus, vähe uuritud ja tänapäevase inforuumi eripära veel sellist fullereeni puudutavat infot sada protsenti usaldada.
ICM (www.veebisait)
Levinud on oluliselt lihtsustatud seisukoht, et enne fullereeni avastamist eksisteeris kaks süsiniku polümorfset modifikatsiooni – grafiit ja teemant ning pärast 1990. aastat lisati neile veel üks süsiniku allotroopne vorm. Tegelikult see nii ei ole, sest süsiniku olemasolu vormid on üllatavalt mitmekesised (vt artiklit). 
Fullereenide avastamise ajalugu
Autorirühm eesotsas L.N. Sidorova võttis monograafias "Fullerenes" kokku suure hulga selleteemalisi töid, kuigi mitte kõiki: raamatu ilmumise ajaks ulatus fullereenidele pühendatud väljaannete koguarv umbes 15 tuhandeni. Autorite sõnul fullereenide avastamine- süsiniku uus eksisteerimisvorm - üks levinumaid elemente meie planeedil - on tunnistatud üheks 20. sajandi kõige olulisemaks avastuseks teaduses. Vaatamata süsinikuaatomite ammutuntud ainulaadsele võimele siduda keerulisi hargnenud ja mahukaid molekulaarstruktuure, mis on kogu orgaanilise keemia aluseks, osutus siiski ootamatuks võimalus moodustada stabiilseid karkassimolekule ainult ühest süsinikust. Andmete järgi saadi 1985. aastal eksperimentaalne kinnitus, et seda tüüpi 60 ja enama aatomiga molekulid võivad tekkida looduses looduslikult toimuvate protsesside käigus, kuid ammu enne seda eeldati juba suletud süsiniksfääriga molekulide stabiilsust. .
Fullereeni tuvastamine otseselt seotud süsiniku sublimatsiooni ja kondenseerumise protsesside uurimisega.
Uus etapp sisse fullereenid tuli aastal 1990, mil töötati välja meetod uute ühendite saamiseks grammides ja kirjeldati meetodit fullereenide eraldamiseks puhtal kujul. Pärast seda tehti kindlaks C60 fullereeni olulisemad struktuursed ja füüsikalis-keemilised omadused. C60 isomeer (buckminsterfullereen) on teadaolevate fullereenide seas kõige kergemini moodustuv ühend. Fullerene C60 sai oma nime futuristliku arhitekti Richard Buckminster Fulleri auks, kes lõi struktuure, mille kuppelraam koosnes viisnurkadest ja kuusnurkadest. Samas tekkis uurimistöö käigus vajadus üldistava nimetuse järele fullereenid suletud pinnaga (süsinikkarkass) mahuliste struktuuride jaoks nende mitmekesisuse tõttu.
Samuti väärib märkimist, et Buckminster Fulleri järgi on nime saanud terve rida süsinikmaterjale: c60 fullereeni (buckminster fullerene) nimetatakse ka buckyballiks (Buckminster Fullerile ei meeldinud nimi "Buckminster" ja eelistas lühendatud nime "Bucky"). Lisaks nimetatakse mõnikord sama eesliitega ka süsinik-nanotorusid – buckityubes, munakujulisi fullereene – buckyegg (buckyball egg) jne.
ICM (www.veebisait)
Fullereenide omadused. Fulleriit
Fullereeni omadused objektiivsetel põhjustel ebapiisavalt uuritud: suhteliselt väikesel arvul laboritel on võimalus neid omadusi uurida. Kuid perioodilises ja populaarteaduslikus ajakirjanduses pööratakse fullereenidele ja nende omadustele nii palju tähelepanu... Tihtipeale levib kontrollimata informatsioon fullereenide imeliste omaduste kohta hämmastava kiirusega ja tohutul hulgal, mille tulemusena on nõrk hääl. keeldumiste kohta jääb kuulmata. Näiteks ühe teadlaste rühma väidet, et šungiidis on fullereene, on korduvalt kontrollitud, kuid see pole leidnud kinnitust (vt arutelu). Sellest hoolimata peetakse šungiiti tänapäeval "looduslikuks nanotehnoloogiliseks fullereeni sisaldavaks materjaliks" – väide, mis on minu arvates pigem turundustrikk.
Mõned teadlased väidavad, et fullereenidel on selline murettekitav omadus nagu toksilisus.
Tavaliselt, kui räägitakse fullereenide omadused tähendavad nende kristalset vormi - fulleriite.
Märkimisväärne erinevus fullereeni kristallid paljude teiste orgaaniliste ainete molekulaarsetest kristallidest, kuna nad ei suuda seda jälgida vedel faas. Võib-olla on see tingitud asjaolust, et temperatuur on 1200 Küleminek vedelasse olekusse, mis omistatakse C 60 fulleriidile, ületab juba selle väärtuse, mille juures toimub fullereeni molekulide endi süsinikskeleti märgatav hävimine.
Vastavalt andmetele, fullereenide omadused Anomaalselt kõrge stabiilsus, mida tõendavad fullereene hõlmavate protsesside uuringute tulemused, on üks neist. Eelkõige märgib autor seda kristalne fullereen eksisteerib stabiilse ainena kuni temperatuurini 1000–1200 K, mis on seletatav selle kineetilise stabiilsusega. Tõsi, see puudutab C60 fullereeni molekuli stabiilsust inertses argooni atmosfääris ja hapniku juuresolekul täheldatakse märkimisväärset oksüdatsiooni isegi 500 K juures CO ja CO 2 tekkega.
Töö on pühendatud C60 ja C70 fulleriitide elektrofüüsikaliste ja termodünaamiliste omaduste põhjalikule uuringule äärmusliku šokikoormuse tingimustes.
Igal juhul tuleb fullereenide omaduste üle arutledes täpsustada, millist ühendit mõeldakse - C20, C60, C70 või mõnda muud, loomulikult on nende fullereenide omadused täiesti erinevad.
Praegu fullereenid С60, С70 ja fullereeni sisaldavaid tooteid toodavad ja pakuvad müügiks erinevad välis- ja kodumaised ettevõtted, seetõttu osta fullereene ja olge hõivatud uurides fullereenide omadusi teoreetiliselt võib igaüks. Fullereene C60 ja C70 pakutakse hinnaga, mis jääb vahemikku 15–210 dollarit grammi kohta ja rohkemgi, olenevalt tüübist, puhtusest, kogusest ja muudest teguritest. Fullereenide tootmine ja müük »
Fullereenid malmis ja terases
Eeldades olemasolu fullereenid ja fullereeni struktuurid raua-süsinik sulamites, siis peavad need oluliselt mõjutama terase ja malmi füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi, osaledes struktuuri- ja faasimuutustes.
ICM (www.veebisait)
Nende protsesside uurijad on pikka aega pööranud suurt tähelepanu raua-süsiniku sulamite kristalliseerumismehhanismidele. Artiklis käsitletakse ülitugevas malmis nodulaarse grafiidi moodustumise võimalikke mehhanisme ja selle struktuuri iseärasusi, võttes lihtsalt arvesse raua-süsiniku sulamite fullereenne olemus. Autor kirjutab, et "fullereenide ja fullereenidel põhinevate struktuuride avastamisega on mitmetes töödes püütud selgitada nende struktuuride põhjal sõlmelise grafiidi tekkemehhanismi."
Töös käsitletakse saavutusi fullereeni keemia vallas ja üldistatakse "uusi ideid raud-süsiniksulamite struktuuri kohta". Autor väidab, et süsiniku molekulaarne vorm on fullereenid С60- tuvastas ta klassikalise metallurgia meetoditega sulatatud raud-süsiniksulamites ja paljastab ka kolm võimalikku välimuse mehhanismi fullereenid terase ja malmi struktuuris:
Omal ajal, 5 aastat tagasi, valisime fullereen ja kuusnurk saidi www.site logona, viimaste saavutuste sümbolina raua-süsiniku sulandite uurimise vallas, sümbolina Fe-C sulatite modifitseerimisega seotud uute arengute ja avastuste jaoks - an kaasaegse valukoja ja väikemetallurgia lahutamatu etapp.
Lit.:
Kaks pead ja kuus jalga; neli kõnnivad ja kaks lebavad paigal
Enesehinnang - mis see on: mõiste, struktuur, tüübid ja tasemed
Kassandra tee ehk seiklused pastaga Sõda maa peal ja maa all