Fullereen - mis see on? Omadused ja rakenduste fullereenide

Molecular allotroopse kujul süsiniku või selle muutmiseks, fullereen, - pikas reas C _{n (n>} 20) aatomi klastrid, mis suletakse kumera hulktahukateks ehitatud süsiniku aatomit ja viisnurkne või kuusnurkne küljed (siin on väga harvade eranditega). Süsinikuaatomite asendamata fullereenid kipuvad olema ^sp2 -Hybrid olekus koordinatsiooniarv 3. Seega on moodustanud sfäärilise konjugeeritud küllastumata süsteem vastavalt Valentssidemete teooria.

üldkirjeldus

Termodünaamiliselt kõige stabiilsemad tavatingimustel kujul süsinik - grafiit, mis sarnaneb virna vaevalt üksteisega ühendatud grafeeni: lame võre, mis koosneb kuusnurkne rakud, kus tipud - süsiniku aatomit. Igaüks neist on seotud kolme naaberaatomi ja neljas valentselektroniks moodustab pi-süsteemi. Niisiis, fullereen - just see molekulaarse vormi, st pilt sp ² -Hybrid riik on ilmne. Kui tutvustame ka grafeeni lehel geomeetriline vead paratamatult moodustab suletud struktuur. Näiteks võivad sellised vead on viieliikmeline tsükleid (viisnurkne tahkudega), täpselt sama koos ühise kuusnurkne süsiniku keemiat.

Euleri teoreem väidab, et tootmise suletud hulktahukas tipud trohkoordinirovannymi võimalik, kui tutvustame kaksteist viisnurkasid, sõltumata sellest, mitu kuusnurkne nägu. Seega minimaalne suurus fullereenisegu - on ametlikult C ₂₀ dodecahedron. Siiski kõverus sarnaseid struktuure, millel on väike arv süsinikuaatomeid on kõrge, ning seetõttu sp ² -Hybrid olekus ei ole väga soodne, kuna süsinikku eelistab tasapinnaline koordineerimist. Sellepärast väikseim oma puhtal kujul saadud fullereen - on C _60, mille struktuur on kärbitud regulaarselt Ikosaeeder. Seal kuusnurkne tahkudega üksteisest eraldatud kõik viisnurkne. Fullereen keemia nõuab sellest eraldatud viisnurk reegel, ja see sõltub tõesti kättesaadav fullereen.

valem

Gidrantirovanny tähistatakse C ₆₀ fullereen (C ₆₀ HyFn). See vastupidav hüdrofiilne supramolekulaarne kompleks, mis koosneb ühest molekulist fullereen C ₆₀ esimeses kest hüdrantidest twenty neli veemolekulid. See on fullereen mille valem - C ₆₀ (H _{2O) 24.} Koosneb kakskümmend kuusnurksed kaksteist viisnurkasid, väljapoole meenutav soccer ball. Lisaks mitmed fullereen C ₇₀ toidulisandid nagu vahestruktuuridele, mis oleks kõik viisnurgad isoleeritakse ei eksisteeri. Kuna C ₇₈ fullereen struktuur võimaldab jälgida mitut stabiilsed isomeerid iga süsinikuskelett. Teoreetiliselt on võimalik, et seal fullereenid süsinikuaatomitega tahes paarisarv, "kõrgem fullereenid".

Valmistamiseks fullereenid kaarega esineb sagedamini või elektronkiirega meetodi ja laser aurutamist grafiit heeliumi atmosfääris. Tahma, mis kondenseerub pinnal reaktori töödeldakse keevas benseen, tolueen, ksüleen või muud orgaanilised lahustid. Lahus aurutatakse, moodustades musta kondensaat, kümme kuni viisteist protsenti, kuhu kuuluvad C ₇₀ ja C ₆₀ fullereenid samuti väga väikestes kogustes kõrgem fullereenid.

Suhe erinevate furellenami võivad erineda sõltuvalt sünteesi parameetreid, kuid üldjuhul ₆₀ C valitseb, on mitu korda suurem. Kõige kõrgeima C _78, C ₇₆ ja C _84. In üldpilt on osakaalu vähenemisest fullereeni sünteesi kõiki tooteid. See on tingitud tõenäoliselt väikese tõenäosusega kokkupanemine suurte struktuuride väikeste klastrite esialgu aurustatakse.

Vesi, mis sisaldab fullereenid

Kõige tavalisem ja põhjalikult uuritud on C _60, kus üks molekul aine tegelikult on kakskümmend neli veemolekulid. See fullereen molekuli on kõrge sümmeetria, kus kõik aatomid on samaväärsed. Selle sfäärilise kujuga on kaugus keskpunktist aatomituumadega kuni umbes 0,36 nm ja raadiuseks on umbes 0,5 nm. See moodustab molekulaarse kristalli kus molekulid on tahktsentreeritud kuupmeetri võre kolmekihiline tihedaim sfäärilise pakkimine. Kõrgel temperatuuril ₆₀ C sublimeerub moodustamata vedelas faasis. Parimat lahustatakse see aromaatsete ainete tüübist süsinikdisulfiidi lahustid ja polaarsed - palju halvem. Piklik ellipsikujuline ₇₀ C, samuti kõrgem fullereenid on füüsikaliste omaduste poolest väga sarnane C _60.

Ja keemia valdkonnas nad palju suuremad ja annab kõik võimalused, et saada nende tuletisinstrumentide klassidele: Metallofullerenes, heterofullerene. Tootepere rikkamaks kõik ekzoendralnogo (outer-) ühendus, sest iga süsinikuaatom - saadaval reaktsioonikohale. Need on omadused fullereenide. Nad on omavahel luues uusi tooteid, halogeeniaatomid ja vesinikku, orgaanilised radikaalid, põlvnemist isegi tsükleid võib tekkida. Nii saadud polümeeri sisaldavatest materjalidest fullereenid Universaalõlide ühendit. ₆₀ K C liitub nelikümmend kaheksa asendajaga lõhkumata süsinikuskelett. Seega näiteks, mis saadakse C ₆₀ F _{48 ja} paljud sellised ühendid on kasutatud, kusjuures aluse on fullereenid.

taotlus

Peaaegu fullereenid on huvitatud täiesti erinevat valdkonda. Arvestades nende elektroonilised omadused võib pidada neid ja nende derivaadid nagu pooljuhid. Fullereene imavad hõlpsasti ultraviolettkiirgust, neil on kõrge elektronaktseptoorsed võime. Kõik need omadused teevad võimalikuks kohaldada neid fotoelektrilise, valokennoja, päikeseenergial töötava seadme erinevate molekulaarsete elektroonika. Fullereenid rakendust meditsiinis viirusevastaste ja antimikroobsete ainete, ainetena fotodünaamiline ravi ja m. P.

Kaasaegsed tehnoloogiad on võimaldanud suhteliselt kiiresti suurendada ühikute arv, et saada rohkem fullereenid on ka parem ja tõhusam töömeetodeid nende ravi. See on põhjus, miks hind, näiteks C ₆₀ on oluliselt vähenenud viimase kümne aasta jooksul ja pool (kümne tuhandega selle kümme kuni viisteist dollarit grammi). Nüüd oleme silmitsi olukorraga, kus reaalse tööstuslike rakenduste ja fullereenide langeda isikule. Nende kasutamine kasvab ja kasvab iga päev.

Teavet avamine

Fullereene nime kuulsa arhitekti ja inseneri Richarda Bakminstera Fullera, kes tuginedes oma struktuuri leiutas geodeetilist struktuuri. Algul käesoleva ühendite klass on piiratud struktuuri, mis sisaldas ainult kuus ja viisnurkne küljed. Kui kompositsioon fullereenosakeste molekuli lisaks süsiniku aatomitele esinevad mitmesugused keemilised elemendid ja nad asuvad süsinikuskelett need nimetatakse endohedral fullereenid. Kui aatomeid teiste elementide asuvad väljaspool fullereeni Saadakse exohedrally. Nende nimed, see molekulaarse vormi ei olnud väga kaua aega tagasi - aastal 1985, kui rühm teadlasi tegi ootamatu avastus fullereen. Väike, Kroto, Curl ja teiste keemikute uuritud grafiidi paari, mis saadi laserirrutusel (Kiirituse) tahke ainena. piiki leitud millel oli maksimumamplituudi vastab kobarad kuuskümmend seitsekümmend süsinikuaatomit.

Nii et me arvutada molekuli C ₆₀ ja C _70, samuti hüpotees, et esimene molekul on ehitatud kuju kärbitud Ikosaeeder. See on kõige levinum C ₆₀ nimega bakminsterfullerenom ja ülejäänud molekuli - lihtsalt fullereenid.

Teadlased-keemikud on hästi kursis arhitektuuri ja meelde Fuller, kes ehitas kuppel kohta, et hoonete - viisnurk, kuusnurk sõralised, mis on aluseks struktuuri molekulaarne skeletid absoluutselt kõik fullereenid. Kuid see on - põnev lugu, ja mitte ilma huvitav ajalugu. On võimalus, et taoline molekulid mõnevõrra varem oli kirjutatud Jaapan (1971), ja teoreetiline alus saadi ja avaldatud NSVL (1973). Siiski Kroto, Curl ja Väike sai Nobeli preemia keemias.

Loodus ja tehnoloogia

Valmistamine puhtal fullereen on võimalik kunstliku sünteesi. Need ühendid jätkuvalt intensiivselt uuritud erinevates riikides, millega tingimused, mille alusel nende tekkimisel ja seda peetakse fullereen struktuuri ja nende omadused. Üha kasvav rakendusala. Selgus, et märkimisväärsel hulgal fullereenid sisalduv tahma, mis on moodustatud grafiitelektrood sellises kaarlahendusest. Varem sel tegelikult lihtsalt kunagi näinud uuesti.

Kui fullereenid tootis laboratoorsetes tingimustes, süsiniku molekulid ja hakkas detekteerida iseloomuga. Karjalas leidsime neid shungites proove, India ja Ameerika Ühendriigid - in furulgitah. Ka paljud ja sagedased süsiniku molekulid meteoriite ja setete allosas, mis ei ole vähem kui kuuskümmend viis miljonit aastat. Maal puhas fullereenid saab moodustada välk ja põlemisel maagaasi. Õhuproove võtnud üle Vahemere, on uuritud 2011 ja leiti, et kõikide võetud proovide - Istanbul Barcelona - on fullereen. Füüsikalised omadused Aine põhjustada spontaanne moodustamine. Samuti tohutul hulgal seda leidub ruumi - ja gaasilises olekus, ja tahkel kujul.

süntees

Esimestes katsetes isoleerimise fullereenid toimus nii kondenseeritud aurud grafiidist, mis saadi kiiritamist laserkiiritamist tahkete grafiidi proovides. Õnnestus ainult jälgi fullereenid. Ainult 1990. aastal, keemikud Huffman, Lamb ja Kretschmeriga välja töötanud uue meetodi tootmise fullereenid grammi kogustes. See koosnes põletamine grafiitelektrood poolt elektrikaare atmosfääri heelium ja madalal rõhul. Kas erosiooni anoodi ja kambriseintele tundus tahm sisaldavad fullereenid.

Lisaks tahma lahustatakse tolueen või benseen, ja saadud lahust seisis grammi puhast molekulide C ₇₀ ja C _60. Suhe - 1: 3. Lisaks lahus, mis sisaldab rasket ja kaks protsenti kõrgemat järku fullereenid. Nüüd oli lihtne: valida optimaalne parameetrid aurutades - kompositsiooni atmosfääri rõhul, elektroodi läbimõõt, voolu ja nii edasi, et saavutada maksimaalne saagikus fullereenid. Nad olid kuni umbes kaksteist protsenti tegelikust anoodi materjalist. See on põhjus, miks nii kallis fullereenid.

tootmine

Kõik katsed eksperimentaalse teadlased olid esimesed asjata: produktiivne ja odavam tootmise meetodid fullereenid. Ei põletamine leek süsivesinikud või keemilise sünteesi olid ebaõnnestunud. elektrikaar meetod on olnud kõige produktiivsemad, võimaldab teil saada umbes üks gramm fullereenid tunnis. Ettevõte Mitsubishi on välja töötanud meetodi tootmise põlemisel süsivesinikud, kuid nad ei ole puhas fullereenid - need sisaldavad hapnikku molekule. Ja nii kaugele jääb selgusetuks mehhanismi moodustamise see aine, sest toimel on väga ebastabiilne alates termodünaamilise seisukohast, ja see on väga tugevalt pärsib arvesse teooria. Ainult ümberlükkamatuid tõendeid, mis kogub üksikute fullereen süsinikuaatomit, st _C2 fragmendid. Kuid selge pildi moodustamise see aine ei ole moodustatud.

Kõrge hind fullereen ei sõltu mitte ainult madalad saagised põletamisel. Eraldamise, puhastamise eraldamine fullereenid erinevate masside tahma - kõik need protsessid on üsna keeruline. Eriti puudutab see eraldamiseks segu eraldi molekulaarse fraktsioonid, mida hoitakse vedela kolonnkromatograafiaga ja kõrge rõhu all. Viimasel etapil lahustijääkidest eemaldatakse juba tahket fullereen. Sel proovi hoitakse dünaamilise vaakum temperatuuril kuni kakssada viiskümmend kraadi. Eelis on aga, et väljatöötamise ajal fullereen C ₆₀ ja vastu ta makroskoopilise koguste juba orgaanilise keemia kasvanud iseseisev haru - keemia fullereenid, mis on muutunud väga populaarne.

kasu

Fullereen derivaate kasutatakse erinevates valdkondades tehnoloogia. Kilet ja fullereen kristallid - pooljuht millel Sisefotoefekt all optilise kiirgusega. Kristallid C _60, kui dopeeritud aatomit leelismetalle, üleminek seisukorra Suprajohtavuus. fullereen lahendusi on mittelineaarne optilised omadused ning seetõttu saab kasutada alusena optilise aknaluugid, mis on vajalikud kaitset tugeva kiirguse. Samuti fullereen kasutatakse katalüsaatorina teemant sünteesi. Fullereene kasutatakse laialdaselt bioloogia ja meditsiini valdkonnas. Ta töötab kolm omadust nende molekulide: tehakse kindlaks membranotropnyh lipofiilsus, elektronodefitsit andes võime vastastikmõju vabade radikaalidega, vaid ka võime kanda hapniku molekuli tavaliste oma ergastatud oleku ning suunata hapniku singlett.

Sellised reageerivad ained rünnata biomolekulide: nukleiinvalke, lipiide. Reaktiivsete hapnikuühendite kasutatakse fotodünaamiline ravi vähiraviks. Patsiendi veres sisestatakse fotosensibilisaatorite, genereerides reaktiivsete hapnikuühendite - tegelikult fullereenid või derivaate. Verevoolu kasvaja on nõrgem kui tervetel kudedes ning kuna fotosensibilisaatorite koguneda, ja pärast kiiritamist suunas molekuli mida toidab reaktiivsete hapnikuosakeste tekitamisega. vähirakkude kogevad apoptoosi ja kasvaja on hävinud. Lisaks sellele - fullereenid on antioksüdantsed omadused ja lõksu reaktiivsete hapnikuühendite.

Fullereen alandab HIV integraasile, valk, mis vastutab integratsiooni viiruse DNA suheldes, muutes kehaehitusele ja temalt purustasid põhiülesanne. Teiste fullereen derivaadid suhelda otse DNA ja pärssida restiktaz.

Veel umbes meditsiin

2007. aastal vees lahustuvad fullereenid hakati kasutama süüa neid allergiavastased ühendid. Uuringud viidi läbi inimese verest ja rakud, mis on kokku puutunud fullereen derivaadid - C60 (neto) x ja C60 (OH) x. Katsetes elusorganismidele - hiired - tulemused olid positiivsed.

Juba aine, mida kasutatakse ravimina ülekandevektoriks, sest vesi sisaldas fullereenid (turult hüdrofoobsust C ₆₀₎ tungib läbi rakumembraani on väga lihtne. Näiteks erütropoetiini - neeru hormooni kanda otse vereringesse, degradeerub olulises koguses, ja kui seda kasutatakse koos fullereenid, kontsentratsiooni suurenemisel üle kahe, sest see satub rakk.