Talište fulerena. Fulleren - što je to? Svojstva i primjena fulerena

Otkriće fulerena - novi oblik postojanje jednog od najčešćih elemenata na Zemlji - ugljika, prepoznato je kao jedan od nevjerojatnih i velika otkrića u znanosti 20. stoljeća. Unatoč odavno poznatoj jedinstvenoj sposobnosti ugljikovih atoma da se vežu u složene, često razgranate i glomazne molekularne strukture, koje čine osnovu svih organska kemija, stvarna mogućnost stvaranja stabilnih okvirnih molekula od samo jednog ugljika ipak se pokazala neočekivanom. Eksperimentalna potvrda da molekule ove vrste, sastoje se od 60 ili više atoma, mogu nastati tijekom prirodnih procesa u prirodi dogodila se 1985. A mnogo prije toga, neki su autori pretpostavili stabilnost molekula sa zatvorenom ugljikovom sferom. Međutim, te su pretpostavke bile čisto spekulativne, čisto teoretske. Bilo je prilično teško zamisliti da se takvi spojevi mogu dobiti kemijskom sintezom. Stoga su ovi radovi ostali nezapaženi, a pozornost im je posvećena tek unatrag, nakon eksperimentalnog otkrića fulerena. Nova pozornica došao je 1990. godine, kada je pronađena metoda za dobivanje novih spojeva u gramskim količinama, te je opisana metoda za izolaciju fulerena u čistom obliku. Vrlo brzo nakon toga dolazi do najvažnijih strukturnih i fizikalne i kemijske karakteristike fuleren C 60 - najlakše nastali spoj među poznatim fulerenima. Za svoje otkriće - otkriće klastera ugljika sastava C 60 i C 70 - R. Kerl, R. Smalley i G. Kroto 1996. godine dobili su Nobelovu nagradu za kemiju. Predložili su i strukturu fulerena C 60, poznatog svim nogometnim navijačima.

Kao što znate, ljuska nogometne lopte sastoji se od 12 peterokuta i 20 šesterokuta. Teoretski, moguće je 12 500 rasporeda dvostrukih i jednostrukih veza. Najstabilniji izomer (prikazan na slici) ima krnju ikosaedarsku strukturu kojoj nedostaju dvostruke veze u pentagonima. Ovaj izomer C 60 nazvan je "Buckminsterfulleren" u čast slavnog arhitekta po imenu R. Buckminster Fuller, koji je stvorio strukture čiji je kupolasti okvir izgrađen od peterokuta i šesterokuta. Ubrzo je predložena struktura za C 70, nalik lopti za ragbi (izduženog oblika).

U okviru ugljika, atome C karakterizira sp 2 hibridizacija, pri čemu je svaki atom ugljika vezan na tri susjedna atoma. Valencija 4 ostvaruje se preko p-veza između svakog atoma ugljika i jednog od njegovih susjeda. Naravno, pretpostavlja se da se p-veze mogu delokalizirati, kao u aromatskim spojevima. Takve strukture mogu se izgraditi za n≥20 za bilo koje parne klastere. Moraju sadržavati 12 peterokuta i (n-20)/2 šesterokuta. Najniži od teoretski mogućih C 20 fulerena nije ništa drugo nego dodekaedar - jedan od pet pravilni poliedri, koji ima 12 peterokutnih stranica i nijednu šesterokutnu površinu. Molekula takvog oblika imala bi izrazito napetu strukturu, pa je njezino postojanje energetski nepovoljno.

Dakle, u smislu stabilnosti, fulereni se mogu podijeliti u dvije vrste. Granica između njih omogućuje crtanje tzv. pravilo izoliranih peterokuta (Isolated Pentagon Rule, IPR). Ovo pravilo kaže da su najstabilniji fulereni oni u kojima nijedan par peterokuta nema susjedne rubove. Drugim riječima, peterokuti se ne dodiruju, a svaki je peterokut okružen s pet heksaksa. Ako se fulereni poredaju prema rastućem broju ugljikovih atoma n, tada je Buckminsterfuleren - C 60 prvi predstavnik koji zadovoljava pravilo izoliranih peterokuta, a C 70 je drugi. Među molekulama fulerena s n>70 uvijek postoji izomer koji podliježe IPR-u, a broj takvih izomera brzo raste s brojem atoma. Pronađeno je 5 izomera za C 78, 24 - za C 84 i 40 - za C 90. Izomeri koji u svojoj strukturi imaju susjedne peterokute znatno su manje stabilni.

Kemija fulerena

Trenutno, većina znanstveno istraživanje povezan s kemijom fulerena. Na temelju fulerena već je sintetizirano više od 3 tisuće novih spojeva. Tako brzi razvoj kemije fulerena povezan je sa strukturnim značajkama ove molekule i prisutnošću velikog broja dvostrukih konjugiranih veza na zatvorenoj ugljikovoj sferi. Kombinacija fulerena s predstavnicima mnogih poznatih klasa tvari otvorila je mogućnost sintetičkim kemičarima da dobiju brojne derivate ovog spoja.

Za razliku od benzena, gdje su duljine C-C kravate su isti, veze više "dvostruke" i više "jednostruke" prirode mogu se razlikovati u fulerenima, a kemičari često smatraju fulerene polienskim sustavima s manjkom elektrona, a ne aromatskim molekulama. Ako pogledamo S60, onda on sadrži dvije vrste veza: kraće (1,39 Å) veze koje se protežu duž zajedničkih rubova susjednih šesterokutnih stranica i duže (1,45 Å) veze koje se nalaze duž zajedničkih rubova peterokutnih i šesterokutnih stranica. U isto vrijeme, niti šesteročlani niti, još više, peteročlani prstenovi ne pokazuju aromatska svojstva u onom smislu u kojem ih pokazuju benzen ili druge planarno konjugirane molekule po Hückelovom pravilu. Stoga se obično kraće veze u C 60 smatraju dvostrukim, dok se dulje smatraju jednostrukim. Jedan od ključne značajke fulerena je da imaju neuobičajeno velik broj ekvivalentnih reakcijskih centara, što često dovodi do složenog izomernog sastava produkata reakcije s njihovim sudjelovanjem. Zbog toga većina kemijskih reakcija s fulerenima nije selektivna, a sinteza pojedinačnih spojeva vrlo je teška.

Među reakcijama dobivanja anorganskih derivata fulerena najvažniji su procesi halogeniranja i dobivanja najjednostavnijih derivata halogena, te reakcije hidrogeniranja. Stoga su ove reakcije bile među prvima provedenim s fulerenom C 60 1991. godine. Razmotrimo glavne tipove reakcija koje dovode do stvaranja ovih spojeva.

Neposredno nakon otkrića fulerena veliki interes pobudila je mogućnost njihove hidrogenacije uz nastajanje „fulerana“. U početku se činilo mogućim dodati šezdeset vodikovih atoma fulerenu. Naknadno je u teorijskim radovima pokazano da bi u molekuli C 60 H 60 neki od atoma vodika trebali biti unutar sfere fulerena, budući da bi šesteročlani prstenovi, poput molekula cikloheksana, trebali imati konformacije "stolice" ili "kupke". . Stoga trenutno poznate molekule polihidrofulerena sadrže od 2 do 36 atoma vodika za fuleren C 60 i od 2 do 8 za fuleren C 70 .

Tijekom fluoriranja fulerena, cijeli set spojevi C 60 F n , gdje n poprima čak i vrijednosti do 60. Derivati ​​fluora s n od 50 do 60 nazivaju se perfluoridi i nalaze se među produktima fluoriranja masenim spektrom u izrazito niskim koncentracijama. Postoje i hiperfluoridi, odnosno produkti sastava C 60 F n , n>60, gdje je fulerenski ugljični kavez djelomično uništen. Pretpostavlja se da se to događa iu perfluoridima. Problemi sinteze fuleren fluorida različitih sastava su nezavisan najzanimljiviji problem, čije se proučavanje najaktivnije proučava u Kemijski fakultet Moskovsko državno sveučilište M.V. Lomonosov.

Aktivno proučavanje procesa kloriranja fulerena pod različitim uvjetima počelo je već 1991. godine. U prvim radovima autori su pokušali dobiti C 60 kloride reakcijom klora i fulerena u različitim otapalima. Do danas je izolirano i karakterizirano nekoliko pojedinačnih fuleren klorida C 60 i C 70 dobivenih korištenjem različitih sredstava za kloriranje.

Prvi pokušaji bromiranja fulerena učinjeni su već 1991. godine. Fuleren C 60 stavljen u čisti brom na temperaturi od 20 i 50 o C, povećao je masu za vrijednost koja odgovara dodatku 2-4 atoma broma po molekuli fulerena. Daljnja istraživanja bromiranja pokazala su da interakcija C 60 fulerena s molekulskim bromom tijekom nekoliko dana proizvodi svijetlonarančastu tvar, čiji je sastav, kako je utvrđeno elementarnom analizom, bio C 60 Br 28 . Nakon toga je sintetizirano nekoliko bromo derivata fulerena, koji se razlikuju u širokom rasponu vrijednosti za broj atoma broma u molekuli. Mnoge od njih karakterizira stvaranje klatrata s uključivanjem slobodnih molekula broma.

Interes za perfluoroalkilne derivate, posebice trifluorometilirane derivate fulerena, povezan je prvenstveno s očekivanom kinetičkom stabilnošću ovih spojeva u usporedbi s halogenim derivatima fulerena sklonih nukleofilnim reakcijama S N 2'-supstitucije. Osim toga, perfluoroalkilfulereni mogu biti od interesa kao spojevi s visokim afinitetom prema elektronima zbog akceptorskih svojstava perfluoroalkilnih skupina koja su čak jača od onih atoma fluora. Do danas je broj izoliranih i karakteriziranih pojedinačnih spojeva sastava C 60/70 (CF 3) n, n=2-20 veći od 30, a u tijeku je intenzivan rad na modificiranju fulerenske sfere mnogim drugim skupinama koje sadrže fluor - CF 2 , C 2 F 5 , C 3 F 7 .

Stvaranje biološki aktivnih derivata fulerena, koji bi mogli naći primjenu u biologiji i medicini, povezano je s davanjem hidrofilnih svojstava molekuli fulerena. Jedna od metoda sinteze hidrofilnih derivata fulerena je uvođenje hidroksilnih skupina i stvaranje fulerenola ili fulerola koji sadrže do 26 OH skupina, a vjerojatno i kisikove mostove slične onima uočenim u slučaju oksida. Takvi spojevi su visoko topljivi u vodi i mogu se koristiti za sintezu novih derivata fulerena.

Što se tiče fuleren oksida, spojevi C 60 O i C 70 O uvijek su prisutni u početnim smjesama fulerena u ekstraktu u malim količinama. Vjerojatno je tijekom pražnjenja električnog luka u komori prisutan kisik i neki od fulerena su oksidirani. Oksidi fulerena se dobro odvajaju na kolonama s različitim adsorbentima, što omogućuje kontrolu čistoće uzoraka fulerena te odsutnosti ili prisutnosti oksida u njima. Međutim, niska stabilnost fuleren oksida otežava njihovo sustavno proučavanje.

Ono što se može primijetiti o organskoj kemiji fulerena je da, budući da je polien s manjkom elektrona, C 60 fuleren pokazuje tendenciju radikalnim, nukleofilnim i cikloadicijskim reakcijama. Osobito obećavajuće u smislu funkcionalizacije fulerenske sfere su različite cikloadicijske reakcije. Zbog svoje elektronske prirode, C 60 može sudjelovati u reakcijama α-cikloadicije, a najkarakterističniji su slučajevi kada je n = 1, 2, 3 i 4.

Glavni problem koji rješavaju kemičari-sintetičari koji rade na području sinteze derivata fulerena ostaje selektivnost reakcija koje se provode do danas. Značajke stereokemije adicije fulerenima sastoje se u velikom broju teoretski mogućih izomera. Tako ih npr. spoj C 60 X 2 ima 23, C 60 X 4 ima već 4368, među kojima je 8 adicijskih produkata na dvije dvostruke veze. Izomeri 29 C 60 X 4, međutim, neće imati kemijsko značenje, jer imaju trostruko osnovno stanje koje proizlazi iz prisutnosti sp 2 hibridiziranog atoma ugljika okruženog s tri sp 3 hibridizirana atoma koji tvore C-X veze. Maksimalan broj teoretski mogućih izomera bez uzimanja u obzir višestrukosti osnovnog stanja promatrat će se u slučaju C 60 X 30 i iznosit će 985538239868524 (1294362 njih su adicijski produkti na 15 dvostrukih veza), dok je broj ne -singletni izomeri iste prirode kao u gornjem primjeru, nije pogodan za jednostavno računovodstvo, ali iz općih razmatranja trebao bi stalno rasti s rastom broja povezanih skupina. U svakom slučaju, broj teoretski prihvatljivih izomera u većini slučajeva je enorman, dok se prelaskom na manje simetrične C 70 i više fulerene dodatno povećava za nekoliko puta ili za redove veličine.

Zapravo, brojni podaci kvantno kemijskih proračuna pokazuju da većina reakcija halogeniranja i hidrogeniranja fulerena nastavlja stvaranjem, ako ne najstabilnijih izomera, onda se barem malo razlikuju od njih u energiji. Najveća odstupanja uočena su u slučaju nižih fuleren hidrida, čiji izomerni sastav, kao što je gore prikazano, može čak malo ovisiti o putu sinteze. Međutim, pokazalo se da je stabilnost nastalih izomera još uvijek vrlo bliska. Proučavanje ovih obrazaca stvaranja derivata fulerena je zanimljiv zadatak, čije rješavanje dovodi do novih dostignuća u području kemije fulerena i njihovih derivata.

Fulereni postoje posvuda u prirodi, a posebno tamo gdje ima ugljika i visokih energija. Postoje u blizini karbonskih zvijezda, u međuzvjezdanom prostoru, na mjestima gdje munje udaraju, u blizini kratera vulkana, a nastaju izgaranjem plina u kućnoj plinskoj peći ili u plamenu običnog upaljača.

Fulereni se također nalaze na mjestima nakupljanja drevnih ugljikovih stijena. Posebno mjesto zauzima karelijski mineral - šungit. Ove stijene, koje sadrže do 80% čistog ugljika, stare su oko 2 milijarde godina. Priroda njihova podrijetla još uvijek nije razjašnjena. Jedna od pretpostavki je pad velikog ugljičnog meteorita.

Fulereni u šungitskom kamenu tema su o kojoj se mnogi raspravljaju tiskane publikacije i na web stranicama. Postoji mnogo oprečnih mišljenja o ovom pitanju, u vezi s kojima i čitatelji i korisnici proizvoda od šungita imaju puno pitanja. Sadrže li šungiti doista molekularni oblik ugljika – fuleren? Sadrže li ljekovite "Marcijalne vode" fuleren? Može li se piti voda natopljena šungitom i koja je korist od toga? Na temelju našeg iskustva znanstvenog istraživanja svojstava različitih šungita, u nastavku donosimo svoje mišljenje o ovim i nekim drugim često postavljanim pitanjima.

Trenutno široku upotrebu primio proizvode proizvedene korištenjem karelijskog šungita. To su različiti filtri za pripremu vode, piramide, privjesci, proizvodi za zaštitu od elektromagnetskog zračenja, paste i jednostavno šungitni šljunak te mnoge druge vrste proizvoda koji se nude kao preventivna, terapeutska i sredstva za poboljšanje zdravlja. U isto vrijeme, u pravilu, posljednjih godina, ljekovita svojstva različitih vrsta šungita pripisuju se fulerenima koji se nalaze u njima.

Ubrzo nakon otkrića fulerena 1985 aktivno traženje njih u prirodi. Fulereni su pronađeni u karelskom šungitu, kako je objavljeno u raznim znanstvenim publikacijama. S druge strane, razvili smo alternativne metodološke pristupe za izolaciju fulerena iz šungita i dokazali njihovu prisutnost. U studijama su analizirani uzorci uzeti u različitim regijama Zaonezhye, gdje se pojavljuju šungitne stijene. Prije analize uzorci šungita usitnjeni su do mikrodisperznog stanja.

Podsjetimo se da su šungiti ažurna silikatna rešetka, čije su praznine ispunjene šungitnim ugljikom, koji je u svojoj strukturi posredni proizvod između amorfnog ugljika i grafita. Također u šungitnom ugljiku postoje prirodni organski spojevi niske i visoke molekularne mase (NONVS) nepoznatog kemijskog sastava. Šungiti se razlikuju po sastavu mineralne baze (aluminosilikatni, silikatni, karbonatni) i sastavu šungitnog ugljika. Šungiti se dijele na niskougljične (do 5% C), srednje ugljične (5-25% C) i visoke ugljične (25-80% C). Nakon potpunog izgaranja šungita u pepelu se osim silicija nalaze Fe, Ni, Ca, Mg, Zn, Cd, V, Mo, Cu, Ce, As, W i drugi elementi.

Fuleren u šungitnom ugljiku je u obliku posebnih, polarnih donor-akceptorskih kompleksa s PONVS. Stoga ne dolazi do učinkovite ekstrakcije fulerena iz njega organskim otapalima, primjerice toluenom, u kojem su fulereni visoko topljivi, a izbor takve metode ekstrakcije često dovodi do proturječnih rezultata o stvarnoj prisutnosti fulerena u šungitu. .

U tom smo smislu razvili metodu ultrazvučne ekstrakcije vodeno-deterdžentne disperzije šungita, nakon čega slijedi prijenos fulerena iz polarnog medija u fazu organskog otapala. Nakon nekoliko stupnjeva ekstrakcije, koncentriranja i pročišćavanja moguće je dobiti otopinu u heksanu čiji UV i IR spektar karakteriziraju spektre čistog C 60 fulerena. Također, jasan signal u masenom spektru s m/z = 720 (slika dolje) nedvosmislena je potvrda prisutnosti samo S60 fulerena u šungitima.

252 Cf-PD maseni spektar ekstrakta šungita. Signal na 720 a.m.u. je S60 fuleren, a signali na 696, 672 su karakteristični fragmentacijski ioni S60 fulerena nastali pod uvjetima ionizacije desorpcijom plazme.

Međutim, otkrili smo da ne sadrži svaki uzorak šungita fuleren. Od svih uzoraka šungita koje nam je dostavio Institut za geologiju Karelijskog znanstvenog centra Ruske akademije znanosti (Petrozavodsk, Rusija) i odabranih iz različitih područja pojavljivanja šungitnih stijena, C 60 fuleren pronađen je samo u jednom uzorku visokougljični šungit koji sadrži više od 80% ugljika. Štoviše, sadržavao je oko 0,04 mas. %. Iz ovoga možemo zaključiti da svaki uzorak šungita ne sadrži fuleren, barem u količini dostupnoj za njegovu detekciju suvremenim visokoosjetljivim metodama fizikalne i kemijske analize.

Uz to, poznato je da šungiti mogu sadržavati dovoljno veliki broj nečistoće, uključujući ione teških polivalentnih metala. I stoga voda prožeta šungitom može sadržavati neželjene, otrovne nečistoće.

Ali zašto onda marcijalna voda (karelski prirodna voda prolazeći kroz stijene koje sadrže šungit) ima tako jedinstvena biološka svojstva. Podsjetimo da je još za vrijeme Petra I, na njegovu osobnu inicijativu, u Kareliji otvoren ljekoviti izvor "Marcijalne vode" (za više detalja, vidi). Dugo vremena nitko nije mogao objasniti razlog posebne ljekovitosti ovog izvora. Pretpostavlja se da je povećan sadržaj željeza u ovim vodama uzrok ljekovitog djelovanja. Međutim, na Zemlji postoji mnogo izvora koji sadrže željezo, ali su, u pravilu, ljekoviti učinci njihovog unosa prilično ograničeni. Tek nakon otkrića fulerena u šungitnim stijenama, kroz koje teče izvor, pojavila se pretpostavka da je fuleren glavni razlog, manifestacija terapeutskog učinka marcijalnih voda.

Doista, voda koja dugo prolazi kroz slojeve "oprane" šungitne stijene ne sadrži značajnije količine štetnih nečistoća. Voda je "zasićena" strukturom koju joj daje stijena. Fuleren sadržan u šungitu potiče sređivanje vodne građevine te stvaranje u njemu hidratnih nakupina sličnih fulerenu i stjecanje jedinstvenih bioloških svojstava Marcijalskih voda. Šungit dopiran fulerenom svojevrsni je prirodni strukturizator vode koja prolazi kroz njega. Istodobno, nitko još nije uspio otkriti fulerene u Marcialnim vodama ili u vodenoj infuziji šungita: ili nisu isprani iz šungita, ili ako su isprani, onda u tako oskudnim količinama da se ne detektiraju nekom od poznatih metoda. Osim toga, dobro je poznato da se fulereni ne otapaju spontano u vodi. A ako bi se molekule fulerena nalazile u Martial vodi, tada bi njegova korisna svojstva bila sačuvana jako dugo. Međutim, aktivan je samo kratko vrijeme. Kao i "otopljena voda", zasićena klasterima, strukturama poput leda, Marcialna voda, koja sadrži životvorne strukture poput fulerena, zadržava svoja svojstva samo nekoliko sati. Prilikom skladištenja borilačke vode, kao i "otopljene", uređene nakupine vode se samouništavaju i voda dobiva strukturna svojstva kao obična voda. Stoga nema smisla ulijevati takvu vodu u posude i čuvati je dugo vremena. Nedostaje mu element koji stvara strukturu i nosi strukturu, C60 fuleren u hidratiziranom stanju, koji je sposoban održavati uređene klastere vode proizvoljno dugo vremena. Drugim riječima, da bi voda dugo zadržala svoje prirodne strukture klastera, neophodna je stalna prisutnost faktora koji stvara strukturu u njoj. Za to je optimalna molekula fulerena, kao što smo vidjeli dugi niz godina, proučavajući jedinstvena svojstva hidratiziranog C 60 fulerena.

Sve je počelo 1995. godine kada smo razvili metodu za dobivanje molekularno-koloidnih otopina hidratiranih fulerena u vodi. Ujedno smo se upoznali s knjigom koja govori o neobičnim svojstvima Marcijalskih voda. Pokušali smo reproducirati prirodnu esenciju Marcijalnih voda u laboratorijskim uvjetima. Za to je korištena voda visokog stupnja pročišćavanja, kojoj je prema posebnoj tehnologiji dodan hidratizirani C 60 fuleren u vrlo malim dozama. Nakon toga počinju se provoditi različiti biološki testovi na razini pojedinih biomolekula, živih stanica i cijelog organizma. Rezultati su bili nevjerojatni. Kod gotovo svake patologije našli smo samo pozitivne biološke učinke djelovanja vode s hidratiziranim C 60 fulerenom, a učinci njezine primjene ne samo da su se u potpunosti poklapali, nego u mnogim parametrima čak i premašivali učinke koji su opisani za borilačke vode još u Petrova vremena. Mnoge patološke promjene u živom organizmu nestaju i on se vraća u svoje normalno, zdravo stanje. Ali ovo nije ciljani lijek i nije vanzemaljac kemijski spoj, već samo kuglica ugljika otopljena u vodi. Štoviše, stječe se dojam da hidratizirani fuleren C 60 pomaže vratiti se u " normalno stanje» sve negativne promjene u tijelu uslijed obnove i održavanja struktura koje je ono, kao matrica, stvorilo u procesu rađanja života.

Stoga, očito, nije slučajnost da je Orlov A.D. u svojoj knjizi "Šungit - kamen čiste vode.", uspoređujući svojstva šungita i fulerena, o potonjima govori kao o kvintesenciji zdravlja.

1. Buseck i sur. Fulereni iz geološkog okoliša. Znanost 10. srpnja 1992.: 215-217. DOI: 10.1126/znanost.257.5067.215.
2. N.P. Juškin. Globularna supramolekularna struktura šungita: podaci skenirajuće tunelske mikroskopije. DAN, 1994, v. 337, br. 6 str. 800-803 (prikaz, ostalo).
3. V.A. Reznikov. Yu.S. Polekhovski. Amorfni šungitni ugljik prirodno je okruženje za nastanak fulerena. Pisma ZhTF-u. 2000. v. 26. c. 15. str.94-102.
4. Peter R. Buseck. Geološki fulereni: pregled i analiza. Earth and Planetary Science Letters, V 203, I 3-4, 15. studenog 2002., stranice 781-792
5.N.N. Rozhkova, G. V. Andrievsky. Vodeni koloidni sustavi na bazi šungitnog ugljika i ekstrakcija fulerena iz njih. 4. bienalna međunarodna radionica u Rusiji "Fulereni i atomski klasteri" IWFAC"99 4. - 8. listopada 1999., St. Petersburg, Rusija. Knjiga sažetaka, str.330.
6. N. N. Rožkova, G. V. Andrijevski. Fulereni u šungitnom ugljiku. sub. znanstveni Zbornik radova međunar Simpozij “Fulereni i fulerenima slične strukture”: 5.-8. lipnja 2000., BSU, Minsk, 2000., str. 63-69.
7. N.N. Rozhkova, G.V. Andrijevski. Šungitni ugljični nanokoloidi. ekstrakcija fulerena vodenim otapalima. sub. znanstveni Zbornik III međunarodni seminar"Mineralogija i život: biomineralni homolozi", 6.-8. lipnja 2000., Syktyvkar, Rusija, Geoprint, 2000., str.53-55.
8. S.A. Vishnevsky. Medicinska područja Karelije. Državna izdavačka kuća Karelijske ASSR, Petrozavodsk, 1957., 57 str.
9. Fulereni: kvintesencija zdravlja. Poglavlje na str. 79-98 u knjizi: A.D. Orlov. "Šungit - kamen čiste vode." Moskva-Sankt Peterburg: "DILYa Publishing House", 2004. - 112 str.; i na Internetu na stranici (www.golkom.ru/book/36.html).

Fuleren C 60

Fuleren C 540

fulereni, buckyballs ili buckyballs- molekularni spojevi koji pripadaju klasi alotropskih oblika ugljika (drugi su dijamant, karbin i grafit) i predstavljaju konveksne zatvorene poliedre, sastavljene od parnog broja trokoordiniranih atoma ugljika. Ove veze svoje ime duguju inženjeru i dizajneru Richardu Buckminsteru Fulleru, čije su geodetske strukture izgrađene na ovom principu. U početku je ova klasa spojeva bila ograničena na strukture koje sadrže samo peterokutne i šesterokutne površine. Imajte na umu da za postojanje takvog zatvorenog poliedra konstruiranog iz n vrhovi koji tvore samo peterokutne i šesterokutne plohe, prema Eulerovom teoremu za poliedre, koji potvrđuje valjanost jednakosti | n | − | e | + | f | = 2 (gdje | n | , | e| i | f| redom, broj vrhova, bridova i lica), nužan uvjet je prisutnost točno 12 peterokutnih lica i n/ 2 − 10 šesterokutnih lica. Ako u sastav molekule fulerena osim ugljikovih atoma ulaze i atomi dr kemijski elementi, onda ako se atomi drugih kemijskih elemenata nalaze unutar ugljičnog kaveza, takvi se fulereni nazivaju endoedarski, ako su izvan - egzoedarski.

Povijest otkrića fulerena

Strukturna svojstva fulerena

U molekulama fulerena atomi ugljika nalaze se na vrhovima pravilnih šesterokuta i peterokuta, koji tvore površinu kugle ili elipsoida. Najsimetričniji i najpotpunije proučen predstavnik obitelji fulerena je fuleren (C 60), u kojem atomi ugljika tvore krnji ikozaedar koji se sastoji od 20 šesterokuta i 12 peterokuta i nalikuje nogometnoj lopti. Budući da svaki atom ugljika fulerena C 60 istovremeno pripada dvama šesterokutima i jednom peterokutu, tada su svi atomi u C 60 ekvivalentni, što potvrđuje i spektar nuklearne magnetske rezonancije (NMR) izotopa 13 C - sadrži samo jednu liniju. Međutim, nemaju sve C-C veze iste dužine. C=C veza koja je zajednička strana za dva šesterokuta je 1,39 , i C-C veza, zajednički za šesterokut i peterokut, dulji je i jednak je 1,44 Å. Osim toga, veza prvog tipa je dvostruka, a drugog jednostruka, što je bitno za kemiju C 60 fulerena.

Sljedeći najčešći je C 70 fuleren, koji se razlikuje od C 60 fulerena umetanjem pojasa od 10 atoma ugljika u ekvatorijalno područje C 60, zbog čega je molekula C 70 izdužena i svojim izgledom nalikuje lopti za ragbi. oblik.

Takozvani viši fulereni koji sadrže više atoma ugljika (do 400), nastaju u mnogo manjim količinama i često imaju prilično složen izomerni sastav. Među najviše proučavanim višim fulerenima izdvajamo C n , n=74, 76, 78, 80, 82 i 84.

Sinteza fulerena

Prvi fulereni izolirani su iz kondenziranih grafitnih para dobivenih laserskim ozračivanjem čvrstih uzoraka grafita. Zapravo, bili su to tragovi tvari. Sljedeći važan korak napravili su 1990. W. Kretchmer, Lamb, D. Huffman i drugi, koji su razvili metodu za dobivanje gramskih količina fulerena spaljivanjem grafitnih elektroda u električnom luku u atmosferi helija pri niskim tlakovima. . U procesu erozije anode, čađa koja je sadržavala određenu količinu fulerena taložila se na stijenke komore. Naknadno je bilo moguće pronaći optimalni parametri isparavanje elektrode (tlak, sastav atmosfere, struja, promjer elektrode), pri čemu se postiže najveći prinos fulerena, u prosjeku 3-12% anodnog materijala, što u konačnici određuje visoku cijenu fulerena.

Isprva, svi pokušaji eksperimentatora da pronađu jeftinije i produktivnije metode za dobivanje gramskih količina fulerena (izgaranje ugljikovodika u plamenu, kemijska sinteza itd.) nisu doveli do uspjeha, a metoda "luka" ostala je najproduktivnija. dugo vremena (produktivnost je oko 1 g / h) . Kasnije je Mitsubishi uspio uspostaviti industrijsku proizvodnju fulerena izgaranjem ugljikovodika, no takvi fulereni sadrže kisik pa je lučna metoda još uvijek jedina prikladna metoda za dobivanje čistih fulerena.

Mehanizam stvaranja fulerena u luku još uvijek ostaje nejasan, jer su procesi koji se odvijaju u području gorenja luka termodinamički nestabilni, što uvelike komplicira njihovo teorijsko razmatranje. Nepobitno je utvrđeno samo da je fuleren sastavljen od pojedinačnih ugljikovih atoma (ili C 2 fragmenata). Za dokaz, kao anodna elektroda korišten je visoko pročišćeni grafit 13 C, druga elektroda je napravljena od običnog grafita 12 C. Nakon ekstrakcije fulerena, NMR je pokazao da su atomi 12 C i 13 C nasumično smješteni na površine fulerena. To ukazuje na raspad grafitnog materijala na pojedinačne atome ili fragmente atomske razine i njihovo naknadno sklapanje u molekulu fulerena. Ova okolnost prisiljeni napustiti vizualnu sliku nastanka fulerena kao rezultat savijanja atomskih slojeva grafita u zatvorene kugle.

Relativno brzo povećanje ukupno postrojenja za proizvodnju fulerena i stalni rad na poboljšanju metoda za njihovo pročišćavanje doveli su do značajnog smanjenja cijene C 60 u proteklih 17 godina - s 10.000 dolara na 10-15 dolara po gramu, što je dovelo do granice njihove stvarne industrijske upotrebe.

Nažalost, unatoč optimizaciji Huffman-Kretschmer (HK) metode, nije moguće povećati prinos fulerena za više od 10-20% Totalna tezina spaljeni grafit ne uspijeva. S obzirom na relativno visoku cijenu početnog proizvoda, grafita, postaje jasno da ova metoda ima temeljna ograničenja. Mnogi istraživači smatraju da neće biti moguće smanjiti cijenu fulerena dobivenih XC metodom ispod nekoliko dolara po gramu. Stoga su napori niza istraživačkih skupina usmjereni na pronalaženje alternativnih metoda za dobivanje fulerena. Najveći uspjeh Do ovog područja došla je tvrtka Mitsubishi, koja je, kako je već spomenuto, uspjela uspostaviti industrijsku proizvodnju fulerena spaljivanjem ugljikovodika u plamenu. Cijena takvih fulerena je oko 5 $/gram (2005), što nije utjecalo na cijenu fulerena električnog luka.

Treba napomenuti da je visoka cijena fulerena određena ne samo njihovim niskim prinosom tijekom izgaranja grafita, već i poteškoćama izolacije, pročišćavanja i odvajanja fulerena različitih masa od čađe. Uobičajeni pristup je sljedeći: čađa dobivena spaljivanjem grafita pomiješa se s toluenom ili drugim organskim otapalom (sposobnim za učinkovito otapanje fulerena), zatim se smjesa filtrira ili centrifugira, a preostala otopina ispari. Nakon uklanjanja otapala ostaje tamni sitnokristalni talog - smjesa fulerena, obično nazvana fulerit. U sastav fulerita ulaze različite kristalne tvorevine: mali kristali molekula C 60 i C 70 i kristali C 60 /C 70 su čvrste otopine. Osim toga, fulerit uvijek sadrži malu količinu viših fulerena (do 3%). Razdvajanje smjese fulerena u pojedinačne molekularne frakcije provodi se tekućinskom kromatografijom na stupcima i visokotlačnom tekućinskom kromatografijom (HPLC). Potonji se uglavnom koristi za analizu čistoće izoliranih fulerena, budući da je analitička osjetljivost HPLC metode vrlo visoka (do 0,01%). Konačno, posljednja faza je uklanjanje ostataka otapala iz uzorka čvrstog fulerena. Provodi se držanjem uzorka na temperaturi od 150-250 o C u dinamičkom vakuumu (oko 0,1 Torr).

Fizikalna svojstva i primjena vrijednosti fulerena

Fuleriti

Kondenzirani sustavi koji se sastoje od molekula fulerena nazivaju se fuleritima. Najviše proučavan sustav ove vrste je kristal C 60, manje - kristalni sustav C 70. Studije kristala viših fulerena otežane su složenošću njihove pripreme. Atomi ugljika u molekuli fulerena povezani su σ- i π-vezama, dok između pojedinih molekula fulerena u kristalu ne postoji kemijska veza (u uobičajenom smislu te riječi). Stoga u kondenziranom sustavu pojedinačne molekule zadržavaju svoju individualnost (što je važno kada se razmatra elektronska struktura kristala). Molekule u kristalu drže van der Waalsove sile, koje uvelike određuju makroskopska svojstva čvrstog C 60 .

Na sobnim temperaturama, kristal C 60 ima kubičnu (fcc) rešetku usmjerenu na lice s konstantom od 1,415 nm, ali kako se temperatura smanjuje, dolazi do faznog prijelaza prvog reda (T cr ≈ 260 K) i kristal C 60 mijenja svoju strukturu u jednostavnu kubičnu (konstanta rešetke 1,411 nm) . Na temperaturi T > Tcr, molekule C 60 rotiraju nasumično oko svog središta ravnoteže, a kada ona padne na kritičnu temperaturu, dvije osi rotacije se zamrzavaju. Potpuno zamrzavanje rotacija događa se na 165 K. Kristalna struktura U radu je detaljno proučavan S 70 na temperaturama reda sobne temperature. Kao što proizlazi iz rezultata ovog rada, kristali ovog tipa imaju tjelesno centriranu (bcc) rešetku s malom primjesom heksagonalne faze.

Nelinearna optička svojstva fulerena

Analiza elektroničke strukture fulerena pokazuje prisutnost π-elektronskih sustava, za koje postoje velike vrijednosti nelinearne susceptibilnosti. Fulereni doista imaju nelinearnost optička svojstva. Međutim, zbog visoke simetrije molekule C 60, generiranje drugog harmonika moguće je samo kada se u sustav unese asimetrija (na primjer, vanjskim električnim poljem). S praktičnog gledišta, velika brzina (~250 ps), koja određuje potiskivanje generacije drugog harmonika, je privlačna. Osim toga, C 60 fulereni također mogu generirati treći harmonik.

Drugo moguće područje primjene fulerena, prije svega C 60, su optički zatvarači. Eksperimentalno je prikazana mogućnost korištenja ovog materijala za valnu duljinu od 532 nm. Kratko vrijeme odziva omogućuje korištenje fulerena kao limitatora laserskog zračenja i Q-sklopke. Međutim, iz više razloga, fulerenima je teško konkurirati tradicionalnim materijalima. Visoka cijena, poteškoće u raspršivanju fulerena u staklima, sposobnost brze oksidacije u zraku, nerekordni koeficijenti nelinearne osjetljivosti i visoki prag za ograničavanje optičkog zračenja (nije prikladno za zaštitu očiju) stvaraju ozbiljne poteškoće u borbi protiv konkurentskih materijala .

Kvantna mehanika i fuleren

Hidrirani fuleren (HyFn); (C 60 @ (H 2 O) n)

Vodena otopina C 60 HyFn

Hidrirani C 60 - C 60 HyFn fuleren je snažan, hidrofilan supramolekularni kompleks koji se sastoji od molekule C 60 fulerena zatvorene u prvoj hidratacijskoj ljusci, koja sadrži 24 molekule vode: C 60 @(H 2 O) 24 . Hidracijska ljuska nastaje zbog donor-akceptorske interakcije slobodnih parova molekula kisika kisika u vodi s elektron-akceptorskim centrima na površini fulerena. Istovremeno, molekule vode orijentirane blizu površine fulerena međusobno su povezane volumetrijskom mrežom vodikovih veza. Veličina C 60 HyFn odgovara 1,6-1,8 nm. Trenutno je maksimalna koncentracija C 60 , u obliku C 60 HyFn, koja je stvorena u vodi, ekvivalentna 4 mg/ml. Fotografija vodene otopine C 60 HyFn s koncentracijom C 60 0,22 mg/ml desno.

Fuleren kao materijal za tehnologiju poluvodiča

Molekularni kristal fulerena je poluvodič sa zabranjenim pojasom od ~1,5 eV i njegova su svojstva uvelike slična onima drugih poluvodiča. Stoga je niz studija vezano uz upotrebu fulerena kao novog materijala za tradicionalne primjene u elektronici: dioda, tranzistor, fotoćelija itd. Ovdje je njihova prednost u odnosu na tradicionalni silicij kratko vrijeme fotoodziva (jedinice ns). Međutim, pokazalo se da je učinak kisika na vodljivost fulerenskih filmova značajan nedostatak i, posljedično, pojavila se potreba za zaštitnim premazima. U tom smislu, više obećava koristiti molekulu fulerena kao neovisni uređaj nanomjere i, posebno, kao pojačavajući element.

Fuleren kao fotorezist

Pod djelovanjem vidljivog (> 2 eV), ultraljubičastog zračenja i zračenja kraćih valnih duljina fulereni polimeriziraju iu tom obliku se ne otapaju u organskim otapalima. Kao ilustracija uporabe fulerenskog fotorezista može se navesti primjer dobivanja submikronske rezolucije (≈20 nm) jetkanjem silicija elektronskim snopom pomoću maske od polimeriziranog C 60 filma.

Fulerenski dodaci za rast dijamantnih filmova CVD metodom

Još jedna zanimljiva mogućnost praktična aplikacija je uporaba aditiva fulerena u rastu dijamantnih filmova CVD metodom (Chemical Vapor Deposition). Uvođenje fulerena u plinsku fazu učinkovito je s dva gledišta: povećanje brzine stvaranja dijamantnih jezgri na supstratu i dovod gradivnih blokova iz plinovite faze u supstrat. Fragmenti C 2 djeluju kao građevni blokovi, što se pokazalo kao pogodan materijal za rast dijamantnog filma. Eksperimentalno je pokazano da brzina rasta dijamantnih filmova doseže 0,6 µm/h, što je 5 puta više nego bez upotrebe fulerena. Za stvarno natjecanje između dijamanata i drugih poluvodiča u mikroelektronici potrebno je razviti metodu heteroepitaksije dijamantnih filmova, no rast monokristalnih filmova na nedijamantnim supstratima ostaje nerješiv problem. Jedan od mogućih načina za rješavanje ovog problema je korištenje fulerenskog međusloja između supstrata i dijamantnog filma. Preduvjet istraživanja u ovom smjeru je dobro prianjanje fulerena na većinu materijala. Ove odredbe su posebno relevantne u vezi s intenzivnim istraživanjem dijamanata za njihovu upotrebu u mikroelektronici sljedeće generacije. Visoka izvedba (velika brzina zasićenja); Najveća toplinska vodljivost i kemijska otpornost od svih poznatih materijala čine dijamant obećavajućim materijalom za sljedeću generaciju elektronike.

Supervodljivi spojevi s C 60

Molekularni kristali fulerena su poluvodiči, međutim, početkom 1991. godine otkriveno je da dopiranje krutog C 60 s malom količinom alkalnog metala dovodi do stvaranja materijala s metalnom vodljivošću, koji, kada niske temperature prelazi u supravodič. Dopiranje s 60 proizvodi se obradom kristala s metalnim parama na temperaturama od nekoliko stotina stupnjeva Celzijusa. U tom slučaju nastaje struktura tipa X 3 C 60 (X je atom alkalijskog metala). Prvi interkalirani metal bio je kalij. Prijelaz spoja K 3 C 60 u supravodljivo stanje događa se pri temperaturi od 19 K. To je rekordna vrijednost za molekularne supravodiče. Ubrzo je ustanovljeno da mnogi fuleriti dopirani atomima alkalijskih metala u omjeru X 3 C 60 ili XY 2 C 60 (X, Y su atomi alkalijskih metala) imaju supravodljivost. Rekorder među visokotemperaturnim supravodičima (HTSC) ovih vrsta bio je RbCs 2 C 60 - njegov T cr = 33 K.

Utjecaj malih dodataka fulerenske čađe na antifrikcijska i protuhabajuća svojstva PTFE-a

Treba napomenuti da prisutnost fulerena C 60 u mineralnim mazivima inicira stvaranje zaštitnog punodimenzionalnog filma fulerena debljine 100 nm na površinama protutijela. Formirani film štiti od toplinske i oksidativne degradacije, povećava životni vijek tarnih jedinica u izvanrednim situacijama za 3-8 puta, toplinsku stabilnost maziva do 400-500ºS i nosivost tarnih jedinica za 2-3 puta, proširuje raspon radnog tlaka tarnih jedinica za 1,5 -2 puta, smanjuje vrijeme uhodavanja protutijela.

Druge primjene fulerena

Druge zanimljive primjene uključuju akumulatore i električne baterije, u kojima se na ovaj ili onaj način koriste fulerenski aditivi. Ove baterije temelje se na litijevim katodama koje sadrže interkalirane fulerene. Fulereni se također mogu koristiti kao dodaci za proizvodnju umjetnih dijamanata visokotlačnom metodom. U ovom slučaju, prinos dijamanata se povećava za ≈30%. Fulereni se također mogu koristiti u farmaciji za stvaranje novih lijekova. Osim toga, fulereni su našli primjenu kao aditivi u intumescentnim (intumescentnim) vatrootpornim bojama. Zbog uvođenja fulerena, boja bubri pod utjecajem temperature tijekom požara, stvara se prilično gusti sloj pjenastog koksa, koji nekoliko puta povećava vrijeme zagrijavanja do kritične temperature zaštićenih struktura. Također, fulereni i njihovi različiti kemijski derivati ​​koriste se u kombinaciji s polikonjugiranim poluvodičkim polimerima za proizvodnju solarnih ćelija.

Kemijska svojstva fulerena

Fulereni, unatoč odsutnosti atoma vodika, koji se mogu zamijeniti kao u slučaju konvencionalnih

Fulereni - ϶ᴛᴏ izolirane molekule nove alotropske modifikacije ugljika(nazvan tako u čast američkog inženjera i arhitekta saćastih kupola R. Buckminstera Fullera). Fulereni u čvrstom stanju nazivaju se fuleritima.

Fulereni su stabilni poliatomski klasteri ugljika s brojem atoma od nekoliko desetaka i više. Broj ugljikovih atoma u takvom klasteru nije proizvoljan, već se pokorava određenoj pravilnosti (broj atoma u klasteru N= 32,44, 50, 58, 60, 70, 72, 78, 80, 82, 84, itd.). Molekula fulerena može sadržavati samo paran broj ugljikovih atoma. . Oblik fulerena je šuplji sferoid, čija lica tvore peterokute i šesterokute. Molekula fulerena građena je od C atoma u stanju sp 2-hibridizacija, zbog koje svaki atom ima tri susjeda povezana s njim s-vezama. Preostali valentni elektroni tvore π-sustav molekule iz delokaliziranih ʼʼugljik-ugljikʼʼ dvostrukih veza. Da bi se oblikovala sferna površina, potrebno je 12 peterokutnih fragmenata ugljika i bilo koji broj heksagonalnih.

Od najvećeg interesa je fuleren C 60 zbog svoje najveće stabilnosti i visoke simetrije. Svi atomi u ovoj molekuli su ekvivalentni, svaki atom pripada dvama šesterokutima i jednom peterokutu, a sa svojim najbližim susjedima povezan je jednom dvostrukom i dvije jednostruke veze. Molekula C 60 je šuplji poliedar s 12 peterokutnih i 20 heksagonalnih simetrično raspoređenih ploha, koje tvore oblik sličan obliku nogometne lopte, također se sastoji od dvanaest peterokutnih i dvadeset heksagonalnih faseta (u tom smislu se također naziva ʼʼfootballinoʼʼ) . U molekuli C 60 nema slobodnih veza, što objašnjava njezinu veliku kemijsku i fizikalnu stabilnost. Zbog toga su među alotropima ugljika fulereni i fulerit najčišći. Promjer molekule C 60 je 0,7024 nm. Valentni elektroni raspoređeni su više ili manje ravnomjerno preko sferne ljuske debljine oko 0,4232 nm. U središtu molekule ostaje šupljina radijusa od oko 0,1058 nm, praktički bez elektrona. Dakle, takva molekula je, takoreći, mala prazna stanica, u čiju se šupljinu mogu smjestiti atomi drugih elemenata, pa čak i druge molekule, a da se ne uništi integritet same molekule fulerena.

Sferične molekule C 60 mogu se međusobno kombinirati u čvrstom tijelu i formirati kubičnu (fcc) kristalnu rešetku usmjerenu na lice. U kristalu fulerita molekule C 60 imaju istu ulogu kao i atomi u običnom kristalu. Udaljenost između središta najbližih molekula u rešetki usmjerenoj na lice, koju drže slabe van der Waalsove sile, je oko 1 nm.

Treba napomenuti da, u smislu njihovih elektroničkih svojstava, kristali čistog C 60 i mnogi kompleksi koji se temelje na njima predstavljaju novu klasu organskih poluvodiča, koji su izuzetno zanimljivi kako s čisto fundamentalnog gledišta, tako i sa stajališta mogućih primjena.

S fundamentalne točke gledišta, zanimanje za fulerite posebno je posljedica činjenice da je, za razliku od "klasičnih" poluvodiča (kao što je silicij), širina dopuštenih energetskih vrpci u kristalima fulerena prilično mala, ne prelazi 0,5 eV. Zbog toga su u ovim kristalima mogući jaki efekti povezani s Coulombovim korelacijama, relaksacijom rešetke i drugim efektima, što je iznimno zanimljivo i može dovesti do otkrivanja i promatranja novih fenomena.

Širina prvog zabranjenog pojasa je oko 2,2 ... 2,3 eV.

Modifikacija površine molekule fulerena ili punjenje njezinog unutarnjeg prostora atomima metala dovodi do primjetne promjene fizičkih svojstava, na primjer, prijelaza u supravodljivo stanje ili manifestacije magnetizma.

Različiti derivati ​​fulerena uključuju interkalirane spojeve i endoedarske fulerine (ili endoedarske komplekse). Tijekom interkalacije, nečistoće se uvode u šupljine kristalne rešetke fulerita, a endoedarski fulereni nastaju kada se atomi različitih tipova uvedu u C klaster. P.

Kad bi bilo moguće pronaći kemijsku reakciju koja bi otvorila prozor u kavezu fulerena, dopuštajući atomu ili maloj molekuli da tamo uđe, i ponovno obnovi strukturu klastera, tada bi se dobila prekrasna metoda za dobivanje endoedarskih fulerena. U isto vrijeme, većina endoedarskih metalofulerena trenutno se proizvodi ili u procesu stvaranja fulerena u prisutnosti strana tvar ili implantacijom.

Metode dobivanja i odvajanja fulerena. Najučinkovitiji način dobivanja fulerena temelji se na termalno raspadanje grafit. Umjerenim zagrijavanjem grafita dolazi do pucanja veze između pojedinih slojeva grafita, ali se materijal koji isparava ne raspada na pojedinačne atome. U ovom slučaju, ispareni sloj sastoji se od pojedinačnih fragmenata, od kojih dolazi do izgradnje molekule C 60 i drugih fulerena. Za razgradnju grafita u proizvodnji fulerena koristi se otporno i visokofrekventno zagrijavanje grafitne elektrode, izgaranje ugljikovodika i lasersko zračenje površine grafita. Ovi se procesi provode u međuspremnom plinu, koji je obično helij.

Najčešće se za dobivanje fulerena koristi lučno pražnjenje s grafitnim elektrodama u atmosferi helija. Glavna uloga helija očito je povezana s hlađenjem fragmenata koji imaju visok stupanj vibracijske pobuđenosti, što im onemogućuje spajanje u stabilne strukture.

Primjena fulerena.

Postoji mnogo navodnih primjena fulerena:

· Mogućnosti njihove primjene u kemiji, mikrobiologiji i medicini povezane su s kemijskom otpornošću i šupljinom fulerena. Na primjer, mogu se koristiti za pakiranje i dostavu na željeno mjesto ne samo atoma, već i cijelih molekula, uklj. organski (farmaceutika, mikrobiologija);

· Fulereni kao novi poluvodički i nanostrukturni materijali. Molekula fulerena je gotov objekt nanorazmjera za stvaranje nanoelektroničkih instrumenata i uređaja koji se temelje na novim fizikalnim principima. Razvijen fizikalni principi stvaranje analoga tranzistora temeljenog na jednoj molekuli fulerena, koji može poslužiti kao strujno pojačalo u nanoamperskom području. U području nanoelektronike najveći interes u smislu mogućih primjena nazivaju kvantne točke (quantum dots). Takve točke imaju niz jedinstvenih optičkih svojstava koja ih omogućuju, primjerice, korištenje za kontrolu komunikacija optičkim vlaknima ili kao elemente procesora u optičkom superračunalu koje se trenutno projektira. Fulereni su idealne kvantne točke u mnogim pogledima. Od interesa za obećavajuće memorijske uređaje također su endoedarski kompleksi elemenata rijetkih zemalja, kao što su terbij (Tb), gadolinij (Gd), disprozij (Dy), koji imaju velike magnetski momenti. Fulleren koji sadrži takav atom mora imati svojstva magnetskog dipola, čija se orijentacija može kontrolirati vanjskim magnetsko polje. Ovi kompleksi (u obliku višeslojnog filma) mogu poslužiti kao osnova za magnetski medij za pohranu s gustoćom zapisa do 10 12 bit/cm 2 .

· Fulereni kao novi materijali za nelinearnu optiku. Materijali koji sadrže fuleren (otopine, polimeri, tekući kristali, staklene matrice koje sadrže fuleren) imaju izrazito nelinearna optička svojstva i perspektivni su za upotrebu kao: optički limiteri (prigušivači) intenzivnog laserskog zračenja; fotorefraktivni mediji za snimanje dinamičkih holograma; frekvencijski pretvarači; uređaji za faznu konjugaciju. Najviše proučavano područje je stvaranje optičkih limitatora snage na bazi tekućih i čvrstih otopina C 60 .

· Fullerit C 60 dopiran alkalijskim metalom je vodič, a na niskim temperaturama i supravodič. Uvođenje atoma nečistoća u matricu fullerita povezano je s fenomenom interkalacije. Interkalacijski spojevi su materijali u kojima su atomi ili molekule nečistoće zarobljeni između slojeva kristalne rešetke. Formalno, ne postoji kemijska veza između interkalanta i matrice. Atomi nečistoća (uglavnom alkalnih, zemnoalkalnih i metala rijetkih zemalja) mogu prodrijeti u međumolekularne šupljine kristala C 60 bez deformiranja rešetke. C 60 ima visok afinitet prema elektronima, alkalijski metali lako donirati elektrone. Kristal C 60 je poluvodič sa širokim procjepom i njegova vodljivost je niska, a kada se dopira alkalijskim atomima, postaje vodič. Na primjer, kada se dopira s kalijem da nastane K 3 C 60, atomi kalija se ioniziraju u K +, a njihovi elektroni se povezuju s molekulom C 60, koja postaje negativni ion. K 3 C 60 na 18 K je supravodič.

Fulereni su materijal za litografiju.Zbog sposobnosti da polimeriziraju pod djelovanjem lasera ili elektronske zrake (stupanj polimerizacije u nekim slučajevima prelazi 10 6) i tvore fazu netopljivu u organskim otapalima, uporaba fulerena kao rezist. jer submikronska litografija obećava. Istodobno, fulerenski filmovi podnose značajno zagrijavanje, ne onečišćuju podlogu i dopuštaju suho razvijanje. Budući da su polimerizirani klasteri C 60 i sami poluvodiči, ova tehnologija može biti vrlo obećavajuća za stvaranje jednoelektronskih tranzistora koji rade na sobnoj temperaturi. Da bi se to postiglo, u tunelskim prazninama formiranim, na primjer, na površini silicija, može se pokušati stvoriti vrlo male klastere C 60 zbog polimerizacije elektronskim snopom.

Kiralnost

Kiralnost- nedostatak simetrije u odnosu na desnu i lijevu stranu. Na primjer, ako je odraz predmeta idealan ravno ogledalo razlikuje od samog objekta, tada je objekt inherentno kiralan. Molekularna kiralnost je svojstvo molekule da bude nekompatibilna sa svojom vlastitom zrcalni odraz bilo koja kombinacija rotacija i kretanja u trodimenzionalni prostor. Svaki geometrijski lik koji ne bi trebao biti poravnat sa svojim odrazom naziva se kiralnim.

Kiralne molekule čine temelj žive prirode, kao i mnogi funkcionalni materijali. Na primjer, sve aminokiseline koje čine proteine ​​su kiralne (s izuzetkom glicina). To se također odnosi i na šećere – građevne elemente ugljikohidrata i nukleinskih kiselina. Sukladno tome, makromolekule koje nastaju od njih također su kiralne - tipični nanoobjekti: proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati itd.

Kiralnost je bitna u sintezi kompleksnih spojeva s ljekovitim svojstvima, običnih polimera, tekući kristali; nepostojanje centra simetrije ključni je uvjet za dobivanje materijala za nelinearnu optiku, feroelektričnih i piezoelektričnih materijala. Većina prirodnih otrova - polipeptida i alkaloida - također su kiralni, a njihovi ʼʼantipodiʼʼ praktički su bezopasni za ljudski organizam. S druge strane, ʼʼantipodeʼʼ prirodnih aminokiselina i šećera živi organizmi jednostavno ne apsorbiraju, niti ih prepoznaju. Ponekad su antipodi ljekovitih tvari vrlo opasni, stoga se u proizvodnji lijekova koriste razna kiralna sredstva za pročišćavanje dobivenih tvari.

Fulereni - pojam i vrste. Klasifikacija i značajke kategorije "Fulereni" 2017., 2018.

Svojstva ... Ali prvo, prvo.

Na početku - o šungitu.

Šungit je crni mineral koji sadrži 93-98% ugljika i do 3-4% spojeva vodika, kisika, dušika, sumpora i vode. Mineralni pepeo sadrži vanadij, molibden, nikal, volfram, selen. Mineral je dobio ime po selu Shunga u Kareliji, gdje se nalaze njegova glavna nalazišta.

Šungit je nastao iz organskih pridnenih sedimenata – sapropela – prije oko 600 milijuna godina, a prema nekim izvorima – prije 2 milijarde godina. Ti organski sedimenti (leševi rakova, algi i drugih puževa), prekriveni odozgo novim slojevima, postupno su se zbijali, dehidrirali i potonuli u dubine zemlje. Pod utjecajem kompresije i visoka temperatura proces metamorfoze je bio u tijeku. Kao rezultat ovog procesa nastao je amorfni ugljik raspršen u mineralnoj matrici u obliku globula-fulerena karakterističnih za šungit.

Sada o fulerenima

Što je to fuleren sadržan u šungitu? Fulereni su jedna od varijanti ugljika. Dakle, iz škole se sjećamo da ugljik ima nekoliko oblika:

• dijamant,
• grafit,
• ugljen.

Fulereni su samo još jedan oblik ugljika. Razlikuje se po tome što su molekule fulerena globule pravilnih poliedara, sastavljene od molekula istog ugljika:

Ali zašto su fulereni tako korisni?

Fulereni se koriste u tehnici poluvodiča, za razna istraživanja (optika, kvantna mehanika), fotootpor, u području supravodiča, u mehanici za proizvodnju tvari za smanjenje trenja, u tehnologiji baterija, u sintezi dijamanata, u proizvodnji fotobaterije i mnoge druge industrije. Od kojih je jedan za proizvodnju lijekova.

I opet se vraćamo na naše pitanje - zašto su fulereni toliko korisni? Ovdje se možete obratiti Grigoriju Andrievskom, koji radi sa skupinom znanstvenika na Institutu za terapiju Akademije medicinskih znanosti Ukrajine upravo na ovom pitanju. Znanstvenik je u svom istraživanju otkrio što je što.

Dakle, fulereni u šungitu su u posebnom obliku – hidratizirani. Odnosno, povezani su s vodom i mogu se otopiti u vodi. Sukladno tome, fulereni se mogu isprati iz šungita i formirati otopina fulerena- jedini aktivni oblik fulereni za danas.

Unaprijediti, vodene otopine fulerena su snažni antioksidansi. Odnosno, oni, poput vitamina E i C (i drugih tvari), pomažu tijelu nositi se sa slobodnim radikalima- tvari koje nastaju u tijelu tijekom upalnih procesa i vrlo agresivno djeluju na okolne tvari - uništavajući organizmu potrebne strukture. Ali, za razliku od vitamina, fulereni se ne troše kada neutraliziraju slobodne radikale – i mogu ih učiniti sigurnima dok se prirodnim putem ne uklone iz tijela.

Sukladno tome, količine fulerena koji učinkovito djeluju kao antioksidansi mogu se naći u tijelu u puno manjim količinama od vitamina. U usporedbi s njima

fulereni mogu djelovati u ultra-niskim dozama.

U skladu s tim, korištenjem vodenih otopina fulerena možete smanjiti količinu slobodnih radikala u tijelu - i pomoći tijelu da se nosi s negativnim procesima. Što, zapravo, čini šungitna voda - isto vodena otopina fulereni.

I vrlo važan dodatak Grigorija Andrijevskog o ljekovitosti šungitnih fulerena:

Do sada su bili samo eksperimenti na dobrovoljcima, uključujući i mene. Stoga ne treba dizati komešanje i buditi nerealne nade kod pacijenata. Da, imamo obećavajuće rezultate temeljnih istraživanja, uglavnom na životinjama i kulturama stanica. Ali, dok pripreme i metode nisu testirani i testirani u u dogledno vrijeme, nemamo ih moralno ni drugo pravo zvati lijekovi i medicinske metode.

I na kraju, do šungitne vode

Šungitna voda – vraćamo joj se. Postoje dva suprotna mišljenja o pripremi i upotrebi šungitne vode.

Prvi je najavio kand. kem. znanosti O. V. Mosin (Moskovska državna akademija likovnih umjetnosti kemijska tehnologija ih. M. V. Lomonosov):

Voda, prožet šungitom, postaje ne samo čista pitka voda, već i molekularno-koloidna otopina hidratiranih fulerena, koji pripadaju novoj generaciji ljekovitih i profilaktičkih sredstava s višestranim djelovanjem na organizam.

Drugo mišljenje o upotrebi šungita iznio je direktor Instituta za geologiju Karelijskog znanstvenog centra Ruske akademije znanosti, doktor geol.-M. n. Vladimir Ščipcov:

Činjenica da šungit pročišćava vodu je dokazana, ali samo ako je uključen kao sastavni dio posebnih filtara. Voda, natopljena samo komadićem minerala, može biti čak i štetna - kao rezultat kemijska reakcija u biti nastaje otopina kiseline niske koncentracije.

Dakle, da biste pripremili šungitnu vodu, trebate li vodu inzistirati na mineralu ili je proći kroz posebne filtere? Zadubimo se u temu. A kako je šungitna voda vodena otopina fulerena, od njih nećemo bježati.

Dakle, fulereni se vrlo teško otapaju u vodi. S druge strane, ako su otopljeni, tada se oko svake kuglice fulerena formira višeslojna ljuska od pravilno raspoređenih molekula vode, otprilike u deset molekularnih slojeva. Tu vodu, drugim riječima, hidrat, ljusku oko molekule fulerena možemo nazvati strukturirana voda.

Svojstva vode koja okružuje molekulu fulerena značajno se razlikuju od obične vode. I vrlo je slična vezanoj vodi u stanicama tijela. Dakle, u živoj stanici, zapravo, postoji vrlo malo obične, nama poznate besplatne vode. Sva je voda vezana za molekule oko sebe. I nešto je poput želea. Mehanizam obrazovanja vezana voda u stanicama sličan je mehanizmu stvaranja vodene ovojnice oko molekule fulerena.

Dakle, u otopini šungitne vode mogu se razlikovati dvije vrste vode:

1. strukturirana voda koja okružuje molekule fulerena (kao i organska tvar u ćelijama)
2. i besplatnu vodu.

Kod isparavanja otopina prva isparava slobodna voda. Ista vodena ljuska s nižim talištem formira se oko molekula DNA u otopinama enzima. To im daje otpornost na smrzavanje i zagrijavanje.

Dakle, vratimo se na dva različita načina pripreme šungita - namakanje i propuštanje kroz sloj šungita. Po čemu se te metode razlikuju? Razlikuju se po vremenu kontakta. Odnosno, vrijeme tijekom kojeg fulereni mogu napustiti strukturu šungita i formirati vodenu otopinu.

Kao što smo ranije spomenuli, fulereni mogu djelovati u ultra-niskim dozama. Odnosno, za stvaranje istinski učinkovite otopine fulerena dovoljno je jednostavno propuštanje vode kroz šungit ili nedugotrajna infuzija vode na šungitu.

Naravno, intenzitet otapanja fulerena iz šungita ovisi o stupnju usitnjenosti granula šungita. Dakle, ako imate komad kamena težak kilogram, onda možete dugo ulijevati vodu 🙂

Budući da nema dovršenih znanstvenih studija s nedvosmislenim preporukama o upotrebi šungita, ne postoji točan obrazac - koliko dugo infuzirati (filtrirati) kroz granule koje veličine šungita za pripremu otopine fulerena željene koncentracije.

Prema tome, jedini izlaz za danas je eksperimentirati sa šungitnom vodom na sebi.

I slušaj svoje osjećaje. I, naravno, promijeniti utjecaj kada se zdravstveno stanje pogorša ili poboljša.

Napiši rezultate svojih eksperimenata!