Свойства… Но обо всём по порядку.

В начале — о шунгите.

Шунгит — это минерал черного цвета, содержащий 93-98% углерода и до 3-4% соединений водорода, кислорода, азота, серы, воды. В золе минерала содержится ванадий, молибден, никель, вольфрам, селен. Название минерал получил по поселку Шуньга в Карелии, где находятся его основные месторождения.

Шунгит образовался из органических донных отложений - сапропеля - примерно 600 млн лет назад, а по некоторым источникам - 2 млрд лет назад. Эти органические осадки (трупы рачков, водорослей и прочих улиток), прикрываемые сверху все новыми наслоениями, постепенно уплотнялись, обезвоживались и погружались в глубины земли. Под влиянием сжатия и высокой температуры шел процесс метаморфизации. В результате этого процесса образовался распыленный в минеральной матрице аморфный углерод в виде характерных именно для шунгита глобул-фуллеренов.

Теперь о фуллеренах

Что же такое, этот фуллерен, содержащийся в шунгите? Фуллерены — это одна из разновидностей углерода. Так, со школы мы помним, что углерод имеет несколько форм:

• алмаз,
• графит,
• уголь.

Фуллерены — это просто ещё одна форма углерода. Отличается она тем, что молекулы фуллеренов представляют собой шары-глобулы из правильных многогранников, составленные из молекул того самого углерода:

Но чем же так полезны фуллерены?

Фуллерены используются в технике полупроводников, для разнообразных исследований (оптики, квантовой механики), фоторезистенции, в области сверхпроводников, в механике для изготовления веществ для уменьшения трения, в аккумуляторной технике, при синтезе алмазов, изготовлении фотобатарей и многих других отраслях. Из которых одна — для изготовления лекарств.

И опять же мы вернулись к нашему вопросу — чем же так полезны фуллерены ? Здесь можно обратиться к Григорию Андриевскому, работающему с группой учёных в Институте терапии Академии медицинских наук Украины именно над этим вопросом. В своих исследованиях учёный раскрыл, что к чему.

Так, фуллерены в шунгите находятся в особой форме — гидратированной. То есть, они соединены с водой и могут растворяться в воде. Соответственно, фуллерены могут вымываться из шунгита и образовывать раствор фуллеренов — единственную активную форму фуллеренов на сегодня.

Далее, водные растворы фуллеренов — это мощные антиоксиданты . То есть, они, подобно витаминам Е и С (и другим веществам) помогают организму справляться со свободными радикалами — веществами, которые образуются в организме при воспалительных процессах и очень агрессивно взаимодействуют с окружающими их веществами — разрушая необходимые организму структуры. Но, в отличие от витаминов, фуллерены не расходуются при нейтрализации свободных радикалов — и могут делать их безопасными, пока не будут выведены из организма естественным путём.

Соответственно, количества фуллеренов, эффективно работающие как антиоксиданты, могут находиться в организме в намного меньших количествах, чем витамины. По сравнению с ними

фуллерены могут работать в сверхмалых дозах.

Соответственно, используя водные растворы фуллеренов, можно снизить количество свободных радикалов в организме — и помочь телу справляться с негативными процессами. Что, собственно, и делает шунгитовая вода — тот самый водный раствор фуллеренов.

И очень важное дополнение от Григория Андриевского по поводу лечебных свойств фуллеренов из шунгита:

Пока шли только опыты на добровольцах, включая меня самого. Поэтому не следует подогревать ажиотаж и внушать несбыточные надежды больным. Да, у нас есть многообещающие результаты фундаментальных исследований, полученные в основном на животных и клеточных культурах. Но, пока препараты и методики не прошли проверки и апробации в установленном порядке, мы не имеем ни морального, ни иного права называть их лекарственными препаратами и лечебными методиками.

И, наконец, к шунгитовой воде

Шунгитовая вода — возвращаемся к ней. Существует два противоположных мнения о приготовлении и использовании шунгитовой воды.

Первое озвучено канд. хим. наук О. В. Мосином (Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова):

Вода, настоянная на шунгите , становится не просто чистой питьевой водой, но и молекулярно-коллоидным раствором гидратированных фуллеренов, которые относятся к новому поколению лекарственных и профилактических средств с многоплановым действием на организм.

Второе мнение о использовании шунгита озвучивает директор Института геологии Карельского научного центра РАН д. геол.-м. н. Владимир Щипцов:

То, что шунгит очищает воду, доказано, но лишь в том случае, если он входит в качестве составной части в специальные фильтры . Вода же, настоянная просто на куске минерала, может быть даже вредна - в результате химической реакции образуется, по сути, малоконцентрированный раствор кислоты.

Итак, чтобы приготовить шунгитовую воду — нужно настаивать воду на минерале или пропускать через специальные фильтры? Давайте углубимся в тему. И, поскольку шунгитовая вода — это водный раствор фуллеренов, то от них мы никуда не денемся.

Так, фуллерены растворяются в воде с большим трудом. Зато, если они растворены, то вокруг каждого шара-фуллерена образуется многослойная оболочка из правильно расположенных молекул воды, примерно в десять молекулярных слоев. Эту водяную, иначе говоря гидратную, оболочку вокруг молекулы фуллерена можно назвать структурированной водой .

По своим свойствам вода, окружающая молекулу фуллерена, существенно отличается от обычной. И очень похожа на связанную воду в клетках организма. Так, в живой клетке, по сути, очень мало обычной, знакомой нам свободной воды. Вся вода связана с окружающими её молекулами. И представляет собой что-то вроде желе. Механизм образования связанной воды в клетках похож на механизм образования водной оболочки вокруг молекулы фуллерена.

Таким образом, в растворе шунгитовой воды можно выделить выделяется два сорта воды:

1. структурированная вода, окружающая молекулы фуллерена (как и молекулы органических веществ в клетках),
2. и свободная вода.

При выпаривании растворов в первую очередь испаряется именно свободная вода. Такая же водная оболочка с пониженной температурой плавления образуется вокруг молекул ДНК, в растворах ферментов. Что придаёт им устойчивость как к замерзанию, так и к нагреву.

Итак, возвращаемся к двум разным способам приготовления шунгита — настаиванию и пропусканию через слой шунгита. Чем отличаются эти способы? Они отличаются временем контакта. То есть, временем, за которое фуллерены могут выйти из структуры шунгита и образовать водный раствор.

Как мы уже упоминали ранее, фуллерены могут работать в сверхмалых дозах . То есть, для образования действительно эффективного раствора фуллеренов достаточно простого пропускания воды через шунгит или не очень длительного настаивания воды на шунгите.

Естественно, интенсивность растворения фуллеренов из шунгита зависит от степени измельчённости гранул шунгита. Так, если у вас кусок камня весом в килограмм, то воду можно настаивать долго 🙂

Поскольку завершённых научных исследований с однозначными рекомендациями по использованию шунгита нет, то нет и точной закономерности — сколько времени настаивать (фильтровать) через гранулы какого размера шунгита для приготовления раствора фуллеренов нужной концентрации.

Соответственно, единственный выход на сегодня — экспериментировать с шунгитовой водой на себе.

И прислушиваться к своим ощущениям. И, естественно, изменять воздействие при ухудшении или улучшении самочувствия.

Пишите результаты ваших экспериментов!

Молекулярная форма углерода или аллотропная его модификация, фуллерен, - это длинный ряд атомных кластеров C n (n > 20), которые представляют собой выпуклые замкнутые многогранники, построенные из атомов углерода и имеющие пятиугольные или шестиугольные грани (здесь есть очень редкие исключения). Атомам углерода в незамещённых фуллеренах свойственно находиться в sp 2 -гибридном состоянии с координационным числом 3. Таким образом формируется сферическая сопряжённая ненасыщенная система согласно теории валентных связей.

Общее описание

Самая термодинамически устойчивая при нормальных условиях форма углерода - графит, который выглядит как стопка едва связанных друг с другом графеновых листов: плоские решётки, состоящие из шестиугольных ячеек, где на вершинах - атомы углерода. Каждый из них связан с тремя соседними атомами, а четвёртый валентный электрон образует пи-систему. Значит, фуллерен - это именно такая молекулярная форма, то есть картина sp 2 -гибридного состояния очевидна. Если ввести в графеновый лист геометрические дефекты, неизбежно образуется замкнутая структура. Например, такими дефектами служат пятичленные циклы (пятиугольные грани), точно так же распространённые наряду с шестиугольными в химии углерода.

Природа и технологии

Получение фуллеренов в чистом виде возможно путём искусственного синтеза. Эти соединения продолжают интенсивно изучать в разных странах, устанавливая условия, при которых происходит их образование, а также рассматривается структура фуллеренов и их свойства. Всё более ширится сфера их применения. Оказалось, что значительное количество фуллеренов содержится в саже, которая образуется на графитовых электродах в дуговом разряде. Ранее этого факта просто никто не видел.

Когда фуллерены были получены в условиях лаборатории, молекулы углерода начали обнаруживаться и в природе. В Карелии нашли их в образцах шунгитов, в Индии и США - в фурульгитах. Также много и часто встречаются молекулы углерода в метеоритах и отложениях на дне, которым не менее шестидесяти пяти миллионов лет. На Земле чистые фуллерены могут образовываться при разряде молнии и при сгорании природного газа. взятые над Средиземным морем, были изучены в 2011 году, и оказалось, что во всех взятых образцах - от Стамбула до Барселоны - присутствует фуллерен. Физические свойства этого вещества обуславливают самопроизвольное образование. Также огромные его количества обнаружены в космосе - и в газообразном состоянии, и в твёрдом виде.

Синтез

Первые опыты выделения фуллеренов происходили через конденсированные пары графита, которые получали при лазерном воздействии облучением твердых графитовых образцов. Удавалось получить только следы фуллеренов. Лишь в 1990 году химиками Хаффманом, Лэмбом и Кретчмером был разработан новый метод добычи фуллеренов в граммовых количествах. Он заключался в сжигании графитовых электродов электрической дугой в атмосфере гелия и при низком давлении. Происходила эрозия анода, и на стенках камеры появлялась сажа, содержащая фуллерены.

Далее сажу растворяли в толуоле или бензоле, а в полученном растворе выделялись граммы в чистом виде молекул С 70 и С 60 . Соотношение - 1:3. Кроме того, раствор содержал и два процента тяжёлых фуллеренов высшего порядка. Теперь дело было за малым: подбирать оптимальные параметры для испарения - состав атмосферы, давление, диаметр электродов, ток и так далее, чтобы достигнуть наибольшего выхода фуллеренов. Они составляли примерно до двенадцати процентов собственно материала анода. Именно поэтому и столь дорого фуллерены стоят.

Производство

Все попытки учёных экспериментаторов на первых порах были тщетными: производительные и дешёвые способы получения фуллеренов не находились. Ни сжигание в пламени углеводородов, ни химический синтез к успеху не привели. Метод электрической дуги оставался самым продуктивным, позволявшим получать около одного грамма фуллеренов в час. Фирма Mitsubishi наладила промышленное производство методом сжигания углеводородов, но их фуллерены не чисты - они содержат молекулы кислорода. И до сих пор остаётся неясным сам механизм образования данного вещества, потому что процессы горения дуги крайне неустойчивы с термодинамической точки зрения, и это очень сильно тормозит рассмотрение теории. Неопровержимы только факты о том, что фуллерен собирает отдельные атомы углерода, то есть фрагменты С 2 . Однако наглядная картина образования этого вещества так и не сформировалась.

Высокая стоимость фуллеренов определяется не только низким выходом при сжигании. Выделение, очистка, разделение фуллеренов разной массы из сажи - все эти процессы достаточно сложны. Особенно это касается разделения смеси на отдельные молекулярные фракции, которые проводятся посредством жидкостной хроматографии на колонках и с высоким давлением. На последнем этапе удаляются остатки растворителя из уже твёрдого фуллерена. Для этого образец выдерживается в условиях динамического вакуума при температуре до двухсот пятидесяти градусов. Но плюс в том, что во времена разработки фуллерена С 60 и получения его в уже макроколичествах органическая химия приросла самостоятельной ветвью - химией фуллеренов, которая стала невероятно популярной.

Польза

Производные фуллеренов применяются в различных областях техники. Плёнки и кристаллы фуллерена - полупроводники, обладающие при оптическом облучении фотопроводимостью. Кристаллы С 60 , если их легировать атомами щёлочных металлов, переходят в состояние сверхпроводимости. Растворы фуллерена имеют нелинейные оптические свойства, потому могут использоваться как основа оптических затворов, которые необходимы для защиты от интенсивного излучения. Также фуллерен используют в качестве катализатора для синтеза алмазов. Широко применяются фуллерены в биологии и медицине. Здесь работает три свойства данных молекул: определяющая мембранотропность липофильность, электронодефицит, дающий способность взаимодействия со свободными радикалами, а также способность передавать молекуле обычного кислорода их собственное возбуждённое состояние и превращать этот кислород в синглетный.

Подобные активные формы вещества атакуют биомолекулы: нуклеиновые кислоты, белки, липиды. Активные формы кислорода используют в фотодинамической терапии для лечения рака. В кровь пациента вводят фотосенсибилизаторы, генерирующие активные формы кислорода - собственно фуллерены или их производные. Кровоток в опухоли слабее, чем в здоровых тканях, а потому фотосенсибилизаторы накапливаются в ней, и после направленного облучения молекулы возбуждаются, генерируя активные формы кислорода. раковые клетки испытывают апоптоз, и опухоль разрушается. Плюс к этому - фуллерены имеют антиоксидантные свойства и улавливают активные формы кислорода.

Фуллерен понижает активность ВИЧ-интегразы, белка, который отвечает за встраивание вируса в ДНК, взаимодействуя с ним, изменяя конформацию и лишая его основной вредительской функции. Некоторые из производных фуллерена взаимодействуют непосредственно с ДНК и препятствуют действию рестиктаз.

Ещё о медицине

В 2007 году начали использоваться водорастворимые фуллерены для употребления их в качестве противоаллергических средств. Исследования проводились на человеческих клетках и крови, которые подвергались воздействию производных фуллерена - С60(NEt)x и С60(ОН)x. В экспериментах на живых организмах - мышах - результаты были положительными.

Уже сейчас это вещество используется как вектор доставки лекарства, поскольку вода с фуллеренами (вспомним гидрофобность С 60) проникает в мембрану клетки очень легко. Например, эритропоэтин - введённый непосредственно в кровь, в значительном количестве деградируется, а если использовать его вместе с фуллеренами, то концентрация возрастает более чем вдвое, и потому он попадает внутрь клетки.

Фуллеренами в наиболее общем значении этого понятия можно назвать экспериментально полученные и гипотетические молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода и имеющие форму выпуклых многогранников. Атомы углерода расположены в их вершинах, а C-C связи пролегают вдоль рёбер .

Фуллерен - это молекулярная форма углерода . Распространено определение, которое гласит, что фуллерены , находяшиеся в твёрдом состоянии, принято называть фуллеритами . Кристаллическая структура фуллерита представляет собой периодическую решётку молекул фуллерена, причём в кристаллическом фуллерите молекулы фуллеренов образуют ГЦК-решетку.

Фуллерен с начала девяностых годов представляет интерес для астрономии, физики, биологии, химии, геологии и других наук. Фуллерену приписывают фантастические медицинские свойства: например, фуллерен якобы уже начали использовать в косметике в качестве омолаживающего средства в косметологии. С помощью фуллерена собираются бороться с раком, ВИЧ и другими грозными заболеваниями. В то же время новизна этих данных, их малоизученность и специфика современного информационного пространства пока не позволяет доверять на сто процентов подобным сведениям о фуллерене.

ИЦМ(www.сайт)

Распространена сильно упрощённая точка зрения, что до открытия фуллерена существовали две полиморфные модификации углерода - графит и алмаз , а после 1990 года к ним добавилась ещё одна аллотропная форма углерода . На самом деле это не так, потому что формы существования углерода удивительно многообразны (см. статью ).

История открытия фуллеренов

Коллектив авторов под руководством Л.Н. Сидорова обобщил в монографии "Фуллерены" большое количество трудов на эту тему, хотя далеко не все: к моменту выхода книги общее количество посвящённых фуллеренам публикаций достигало примерно 15 тысяч. По мнению авторов, открытие фуллеренов - новой формы существования углерода - одного из самых распространённых элементов на нашей планете - признано одним из важнейших открытий в науке XX столетия. Несмотря на давно известную уникальную способность атомов углерода связываться в сложные разветвлённые и объёмные молекулярные структуры, составляющую основу всей органической химии, возможность образования только из одного углерода стабильных каркасных молекул всё равно оказалось неожиданной. По данным экспериментальное подтверждение тому, что молекулы подобного типа из 60 и более атомов могут возникать в ходе естественно протекающих в природе процессов, получено в 1985 г., но задолго до этого уже предполагали стабильность молекул с замкнутой углеродной сферой.

Обнаружение фуллеренов связано напрямую с исследованием процессов сублимации и конденсации углерода.

Новый этап в изучении фуллеренов наступил в 1990 году, когда был разработан метод получения новых соединений в граммовых количествах и описан способ выделения фуллеренов в чистом виде . После этого были установлены важнейшие структурные и физико-химические характеристики фуллерена С 60 . Изомер С60 (бакминстерфуллерен) - это наиболее легко образующееся соединение среди известных фуллеренов. Название своё фуллерен C60 получил в честь футуриста-архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, создавшего сооружения, куполообразный каркас которых состоял из пентагонов и гексагонов. Одновременно с этим в процессе исследования появилась необходимость в обобщающем названии фуллерены для объёмных структур с замкнутой поверхностью (углеродный каркас), благодаря их многообразию.

Стоит отметить также, что в честь Бакминстера Фуллера названа целая линейка углеродных материалов: фуллерен с60 (бакминстер фуллерен) также называют бакибол (Бакминстеру Фуллеру не нравилось имя "Бакминстер" и он предпочитал сокращённое имя "Баки"). Кроме того с этой же приставкой иногда называют: углеродные нанотрубки - бакитьюбы, фуллерены яйцевидной формы - buckyegg (buckyball egg) и т.п.

ИЦМ(www.сайт)

Свойства фуллеренов. Фуллерит

Свойства фуллеренов недостаточно изучены в силу объективных причин: относительно небольшое количество лабораторий имеет возможность изучать эти свойства. Зато в периодической и научно-популярной печати столько внимания отведено фуллеренам и их свойствам... Зачастую непроверенная информация о чудодейственных свойствах фуллеренов распространяется с поразительной скоростью и в огромных масштабах, в итоге слабый голос опровержений остаётся неуслышанным. Например, заявление одной группы учёных о том, что фуллерены присутствуют в шунгите, было проверено неоднократно, но подтверждения не нашло (см. обсуждение к ). Тем не менее шунгит сегодня считается "природным нанотехнологичным фуллеренсодержащим материалом" - утверждение, которое пока, на мой взгляд, больше похоже на маркетинговый ход.

Отдельные исследователи заявляют о таком настораживающем свойстве фуллеренов, как токсичность .

Как правило, когда говорят о свойствах фуллеренов имеют в виду их кристаллическую форму - фуллериты.

Существенное отличие кристаллов фуллеренов от молекулярных кристаллов многих других органических веществ в том, что у них не удаётся наблюдать жидкую фазу . Возможно, это связано с тем, что температура 1200 K перехода в жидкое состояние, которая приписывается фуллериту С 60 , уже превышает то её значение, при котором наступает заметная деструкция углеродного каркаса самих молекул фуллерена .

Согласно данным , к свойствам фуллеренов относится аномально высокоя стабильность, о которой свидетельствуют результаты исследований процессов с участием фуллеренов. В частности, автор отмечает, что кристаллический фуллерен существует как стабильное вещество вплоть до температур 1000 – 1200 К, что объясняется его кинетической устойчивостью. Правда это касается стабильности молекулы фуллерена С60 в инертной атмосфере аргона , а в присутствии кислорода наблюдается значительное окисление уже при 500 К с образованием CO и CO 2 .

Комплексному исследованию электрофизических и термодинамических свойств фуллеритов С60 и С70 в условиях экстремального ударного нагружения посвящена работа .

В любом случае при обсуждении свойств фуллеренов необходимо конкретизировать, какое соединение имеется в виду - С20, C60, С70 или другое, естественно, свойства у этих фуллеренов будут совершенно разные.

В настоящее время фуллерены С60, С70 и фуллеренсодержащие продукты производятся и предлагаются на реализацию различными зарубежными и отечественными предприятиями, поэтому купить фуллерены и заняться изучением свойств фуллеренов теоретически имеет возможность любой желающий. Фуллерены С60 и С70 предлагаются по ценам от 15$ до 210$ за грамм, и дороже, в зависимости от вида, степени чистоты, количества и других факторов. Производство и продажа фуллеренов »

Фуллерены в чугунах и сталях

Если предположить существование фуллеренов и фуллереновых структур в железо-углеродистых сплавах , то они должны существенно влиять на физико-механические свойства сталей и чугунов, участвуя в структурных и фазовых превращениях.

ИЦМ(www.сайт)

Механизмам кристаллизации железо-углеродистых сплавов давно уделяется очень пристальное внимание со стороны исследователей этих процессов. В статье рассматриваются возможные механизмы образования шаровидного графита в высокопрочном чугуне и особенности его строения как раз с учётом фуллереновой природы железоуглеродистых сплавов . Автор пишет, что "с открытием фуллеренов и структур на основе фуллеренов в ряде работ предпринимаются попытки объяснения механизма образования шаровидного графита на основе этих структур".

Работа рассматривает достижения в области химии фуллеренов и обобщает "новые представления о структуре железоуглеродистых расплавов". Автор утверждает, что молекулярная форма углерода – фуллерены С60 - идентифицирована им в железо-углеродистых сплавах, выплавленных методами классической металлургии, а также выявляет три возможных механизма появления фуллеренов в структуре сталей и чугунов :

переход фуллеренов в расплав из фуллеренсодержащей шихты в ходе металлургических процессов получения сплавов;

образование фуллеренов при первичной кристаллизации;

в результате структурных и фазовых превращений, протекающих при термических воздействиях.

В своё время, 5 лет назад, мы выбрали фуллерен и гексагон в качестве логотипа сайта www.сайт, как символ последних достижений в области исследования железо-углеродистых расплавов, как символ новых разработок и открытий, связанных с модифицированием Fe-C расплава - неотъемлемым этапом современного литейного производства и малой металлургии.

Лит.:

1. Сидоров Л.Н., Юровская М.А. и др. Фуллерены: Учебное пособие. М.: Издательство "Экзамен", 2005. - 688 с. (Серия "Учебное пособие для вузов") УДК 544(075.8) ББК 24.2я73 ISBN 5-472-00294-Х [ Аннотация ]
2. Левицкий М.М., Леменовский Д.А. Фуллерен // Любопытные факты из истории химии [Электронный ресурс], 2005-2012. - Режим доступа: http://www.xenoid.ruu, свободный. - Загл. с экрана.
3. Давыдов С.В. Кристаллизация шаровидного графита в расплаве высокопрочного чугуна // М.: Заготовительные производства в машиностроении, 2008, №3. – с. 3-8.
4. Дунаев А., Шапорев А., под рук. Авдеева А.А. Богатое семейство углеродных материалов // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2008 - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.
5. Закирничная М.М. Образование фуллеренов в углеродистых сталях и чугунах при кристаллизации и термических воздействиях: Дис... докт. тех. наук; 05.02.01. - Уфа: УГНТУ. - 2001.
6. Елецкий А.В., Смирнов В.М. Фуллерены // УФН, 1993. - №2. - С.33-58.
7. Авдонин В.В. Электрофизические и термодинамические свойства фуллеритов C60 и C70 при высоких давлениях ударного сжатия: Автореф. дис... канд. тех. наук; 01.04.17. - Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН. - 2008.
8. Золотухин И.В. Фуллерит - новая форма углерода // Химия. - 1996.
9. Палии Н.А. Фуллерен. Серебряный юбилей // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2010. - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.
10. Годовский Д.А. Образование фуллеренов при кристаллизации чугунов: Автореф. дис... канд. тех. наук; 05.02.01. - УФА. - 2000.
11. A. Isacovic. Distinct Cytotoxic Mechanisms of Pristine versus Hydroxylated Fullerene / A. Isacovic, Z.Markovic, B.Todorovic, N.Nikolic, S. Vranjes-Djuric, M. Mirkovic, M. Dramicanin, L. Harhaji, N. Raicevic, Z. Nikolic, V. Trajkovic // Toxicological Sciences 91(1), 173–183 (2006)
12. Борщевский А.Я. Фуллерены / Борщевский А.Я., Иоффе И.Н., Сидоров Л.Н., Троянов С.И., Юровская М.А. // Нанотехнологическое сообщество Нанометр [Электронный ресурс], 2007. - Режим доступа: http://www.nanometer.ru, свободный. - Загл. с экрана.

ФУЛЛЕРЕНЫ – НОВАЯ АЛЛОТРОПНАЯ ФОРМА УГЛЕРОДА

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1. Известные аллотропные формы углерода

До недавнего времени было известно, что углерод образует три аллотропных формы: – алмаз, графит и карбин. Аллотропия, от греч. Allos - иной, tropos - поворот, свойство, существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур В настоящее время известна четвертая аллотропная форма углерода, так называемый фуллерен (многоатомные молекулы углерода С n).

Происхождение термина "фуллерен" связано с именем американского архитектора Ричарда Букминстера Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные конструкции, состоящие в виде шестиугольников и пятиугольников.

В середине 60-х годов Дэвид Джонс конструировал замкнутые сфероидальные клетки из своеобразным образом свернутых графитовых слоев. Было показано, что в качестве дефекта, внедренного в гексагональную решетку обычного графита, и приводящего к образованию сложной искривленной поверхности, может быть пятиугольник.

В начале 70-х годов физхимик–органик Е.Осава предположил существование полой, высокосимметричной молекулыС 60 , со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч. Чуть позже (1973 г.) российские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность.

В 1985 году, коллективу ученых: Г.Крото (Англия, Сассекский университет), Хит, 0"Брайен, Р.Ф.Керл и Р. Смолли (США, Университет Раиса) удалось обнаружить молекулу фуллерена при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца.

Первый способ получения и выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В.Кречмером и Д.Хафманом с коллегами в институте ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия).

В 1991 году японский ученый Иджима на полярном ионном микроскопе впервые наблюдал различные структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода: нанотрубки, конусы, наночастицы.

В 1992 в природном углеродном минерале – шунгите (свое название этот минерал получил от названия поселка Шуньга в Карелии) были обнаружены природные фуллерены.

В 1997 году Р.Е.Смолли, Р.Ф.Керл,Г.Крото получили Нобелевскую премию по химии за изучение молекул С 60 , имеющих фору усеченного икосаэдра.

Рассмотрим структуру аллотропных форм углерода: алмаза, графита и карбина.

Алмаз - Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Соседние атомы связаны между собой ковалентными связями (sp 3 -гибридизация). Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.

Графит находит широкое применение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности, от изготовления карандашных грифелей до блоков замедления нейтронов в ядерных реакторах. Атомы углерода в кристаллической структуре графита связаны между собой прочными ковалентными связями (sp 2 - гибридизация) и формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах правильных шестиугольников, равно 0,142 нм., между слоями – 0,335 нм. Слои слабо связаны между собой. Такая структура - прочные слои углерода, слабо связанные между собой, определяет специфические свойства графита: низкую твёрдость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

Карбин конденсируется в виде белого углеродного осадка на поверхности при облучении пирографита лазерным пучком света. Кристаллическая форма карбина состоит из параллельно ориентированных цепочек углеродных атомов с sp-гибридизацией валентных электронов в виде прямолинейных макромолекул полиинового (-С= С-С= С-...) или кумуленового (=С=С=С=...) типов.

Известны и другие формы углерода, такие как аморфный углерод, белый углерод (чаоит) и т.д. Но все эти формы являются композитами, то есть смесью малых фрагментов графита и алмаза.

1.2.Геометрия молекулы фуллерена и кристаллическая решетка фуллерита

Рис.3 Молекула фуллерена С 6 0

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула С 60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит ) – это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская поверхность, однако ими не может быть сформирована замкнутая поверхность. Для этого необходимо часть шестиугольных колец разрезать и из разрезанных частей сформировать пятиугольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Образуется структура – усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, б осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками.Каждый атом углерода в молекуле C 60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода,образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С 60 0,357 нм. Длина связи С-С в пятиугольнике - 0,143 нм, в шестиугольнике – 0,139 нм.

Молекулы высших фуллеренов С 70 С 74 , С 76 , С 84 , С 164 , С 192 , С 216 , также имеют форму замкнутой поверхности.

Фуллерены с n< 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С 20 .

Кристаллический фуллерен, который был назван фуллеритом имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК), пространственная группа (Fm3m).. Параметр кубической решетки а 0 = 1.42 нм, расстояние между ближайшими соседями – 1 нм. Число ближайших соседей в ГЦК решетке фуллерита –12.

Между молекулами С 60 в кристалле фуллерита существует слабая связь Ван-дер-Ваальса. Методом ядерного магнитного резонанса было доказано, что при комнатной температуре молекулы С 60 , вращаются вокруг положения равновесия с частотой 10 12 1/с. При понижении температуры вращение замедляется. При 249К в фуллерите наблюдается фазовый переход первого рода, при котором ГЦК решетка (пр. гр.Fm3m) переходит в простую кубическую (пр.гр. РаЗ). При этом объем фулдерита увеличивается на 1%. Кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см 3 , что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см 3) и алмаза (3,5 г/см).

Молекула С 60 сохраняет стабильность в инертной атмосфере аргона вплоть до температур порядка 1700 К. В присутствии кислорода при 500 К наблюдается значительное окисление с образованием СО и CO 2 . При комнатной температуре окисление происходит при облучении фотонами с энергией 0,55 эВ. что значительно ниже энергии фотонов видимого света (1,54 эВ). Поэтому чистый фуллерит необходимо хранить в темноте. Процесс, продолжающийся несколько часов, приводит к разрушению ГЦК- решетки фуллерита и образованию неупорядоченной структуры, в которой на исходную молекулу Сбо приходится 12 атомов кислорода. При этом фуллерены полностью теряют свою форму.

1.3. Получение фуллеренов

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита На рис. 4 показана схема установки для получения фуллеренов, которую использовал В.Кретчмер. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц, величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10-20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т.е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи., в нем содержится до 10% фуллеренов С 60 (90%) и С 70 (10%).Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе получения фуллеренов гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно по сравнению с другими атомами «тушат» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия уносят энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия находится в диапазоне 100 Тор. При более высоких давлениях агрегация фрагментов углерода затруднена.

Рис.4. Схема установки для получения фуллеренов.

1 – графитовые электроды;

2 – охлаждаемая медная шина; 3 – медный кожух,

4 – пружины.

Изменение параметров процесса и конструкции установки ведет к изменению эффективности процесса и состава продукта. Качество продукта подтверждается как масс-спектрометрическими измерениями, так и другими методами (ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, ИК-спектроскопия и др.)

Обзор существующих в настоящее время способов получения фуллеренов и устройств установок, в которых получают для получения различные фуллеренов приведен в работе Г.Н.Чурилова.

Методы очистки и детектирования

Наиболее удобный и широко распространенный метод экстракциифуллеренов из продуктов термического разложения графита (термины: фуллерен-содержащей конденсат, фуллерено-содержащая сажа), а также последующей сепарации и очистки фуллеренов, основан на использовании растворителей и сорбентов.

Этот метод включает в себя несколько стадий. На первой стадии фуллерен-содержащая сажа обрабатывается с помощью неполярного растворителя, в качестве которого используются бензол, толуол и другие вещества. При этом фуллерены, обладающие значительной растворимостью в указанных растворителях, отделяются от нерастворимой фракции, содержание которой в фуллерен содержащей фазе составляет обычно 70-80 %. Типичное значение растворимости фуллеренов в растворах, используемых для их синтеза, составляет несколько десятых долей мольного процента. Выпаривание полученного таким образом раствора фуллеренов приводит к образованию черного поликристаллического порошка, представляющего собой смесь фуллеренов различного сорта. Типичный масс спектр подобного продукта показывает, что экстракт фуллеренов на 80 - 90 % состоит из С 60 и на 10 -15% из С 70 . Кроме того, имеется небольшое количество (на уровне долей процента) высших фуллеренов, выделение которых из экстракта представляет довольно сложную техническую задачу. Экстракт фуллеренов, растворенный в одном из растворителей, пропускается через сорбент, в качестве которого может быть использован алюминий, активированный уголь либо оксиды (Al 2 O 3 , SiO 2) с высокими сорбци- онными характеристиками. Фуллерены собираются этим металлом, а затем экстрагируются из него с помощью чистого растворителя. Эффективность экстракции определяется сочетанием сорбент-фуллерен-растворитель и обычно при использовании определенного сорбента и растворителя заметно зависит от типа фуллерена. Поэтому растворитель, пропущенный через сорбент с сорбированным в нем фуллереном, экстрагирует из сорбента поочередно фуллерены различного сорта, которые тем самым могут быть легко отделены друг от друга. Дальнейшее развитие описанной технологии получения сепарации и очистки фуллеренов, основанной на электродуговом синтезе фуллерено-содержащей сажи и её последующем разделении с помощью сорбентов и растворителей, привело к созданию установок, позволяющих синтезировать С 60 в количестве одного грамма в час.

1.4.Свойства фуллеренов

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается. Фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси с другими веществами. Было обнаружено, что добавление атомов калия в пленки С 60 приводит к появлению сверхпроводимости при 19 К.

Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так, недавно получены пленки полифуллерена, в которых молекулы С 60 связаны между собой не ван-дер-ваальсовским, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием. Эти плёнки, обладающие пластическими свойствами, являются новьм типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в направлении синтеза полимеров на основе фуллеренов. При этом фуллерен С 60 служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется с помощью бензольных колец. Такая структура получила образное название "нить жемчуга".

Присоединение к С 60 радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы. С 60 . Имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия, атомов редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний и диспрозий.

Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.

1.5. Применение фуллеренов

В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста,алмазных и алмазоподобных пленок, сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами.

Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако, обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того, такие батареи характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития. Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.

Растворы фуллеренов в неполярных растворителях (сероуглерод, толуол, бензол, тетрахлорметан, декан, гексан, пентан) характеризуются нелинейными оптическими свойствами, что проявляется, в частности, в резком снижении прозрачности раствора при определенных условиях. Это открывает возможность использования фуллеренов в качестве основы оптических затворов- ограничителей интенсивности лазерного излучения..

Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив, смазочного материала.

Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в медицине и фармакологии. Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов на основе водо-растворимых эндоэдральных соединенийфуллеренов с радиоактивными изотопами. (Эндоэдральные соединения – это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента). Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем – создания водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов, которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в орган, подлежащий терапевтическому воздействию.

Применение фуллеренов сдерживается их высокой стоимостью, которая складывается из трудоемкости получения фуллереновой смеси и из выделения из нее отдельных компонентов.

1.6.Углеродные нанотрубки

Структура нанотрубок

Наряду со сфероидальными углеродными структурами, могут образовываться также и протяженные цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, которые отличаются широким разнообразием физико-химических свойств.

Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода..).

Параметр, указывающим координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпасть с шестиугольником, находящимся в начале координат, называется хиральностью нанотрубки и обозначается набором символов (т, п). Хиральностьнанотрубки определяет ее электрические характеристики.

Как показали наблюдения, выполненные с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоят из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось.

Однослойные нанотрубки

На рис. 4 представлена идеализированная модель однослойной нанотрубки. Такая трубка заканчивается полусферическими вершинами, содержащими наряду

с правильными шестиугольниками, также по шесть правильных пятиугольников. Наличие пятиугольников на концах трубок позволяет рассматривать их как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает их диаметр.

Структура однослойных нанотрубок, наблюдаемых экспериментально, во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной полусферы.

Многослойные нанотрубки

Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций как в продольном, так и в поперечном направлении. Возможные разновидности поперечной структуры многослойных нанотрубок представлены на рис. 5. Структура типа "русской матрешки" (russian dolls) представляет собой совокупность коаксиально вложенных друг в друга однослойных нанотрубок (рис 5 а). Другая разновидность этой структуры, показанная на рис. 5 б, представляет собой совокупность вложенных друг в друга коаксиальных призм. Наконец, последняя из приведённых структур (рис. 5 в), напоминает свиток. Для всех приведённых структур расстояния между соседними графитовыми слоями близко к величине 0,34 нм, т.е. расстоянию между соседними плоскостями кристаллического графита. Реализация той или иной структуры в конкретной экспериментальной ситуации зависит от условий синтеза нанотрубок.

Следует иметь в виду, что идеализированная поперечная структура нанотрубок, в которой расстояние между соседними слоями близко к значению 0,34 нм и не зависит от аксиальной координаты, на практике искажается вследствие возмущающего воздействия соседних нанотрубок.

Наличие дефектов приводит также к искажению прямолинейной формы нанотрубки и придаёт ей форму гармошки.

Другой тип дефектов, нередко отмечаемых на графитовой поверхности многослойных нанотрубок, связан с внедрением в поверхность, состоящую преимущественно из правильных шестиугольников, некоторого количества пятиугольников или семиугольников. Это приводит к нарушению цилиндрической формы, причём внедрение пятиугольника вызывает выпуклый изгиб, в то время как внедрение семиугольника способствует появлению вогнутого изгиба. Таким образом, подобные дефекты вызывают появление изогнутых и спиралевидных нанотрубок.

Структура наночастиц

В процессе образования фуллеренов из графита образуются также наночастицы. Это замкнутые структуры, подобные фуллеренам, но значительно превышающие их по размеру. В отличие от фуллеренов, они также как и нанотрубки могут содержать несколько слоев., имеют структуру замкнутых, вложенных друг в друга графитовых оболочек.

В наночастицах, аналогично графиту, атомы внутри оболочки связаны химическими связями, а между атомами соседних оболочек действует слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие. Обычно оболочки наночастиц имеют форму близкую к многограннику. В структуре каждой такой оболочки, кроме шестиугольников, как в структуре графита, есть 12 пятиугольников, наблюдаются дополнительные пары из пяти и семиугольников. Электронно-микроскопическое изучение формы и строения углеродных частиц в фуллерено-содержащем конденсате было недавно проведено в работах Jarkovа S.M., Кашкина В.Б.

Получение углеродных нанотрубок

Углеродных нанотрубок образуются при термическом распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. Этот метод, как и метод лазерного распыления, лежащий в основе эффективной технологии получения фуллеренов, позволяет получать нанотрубки в количестве, достаточном для детального исследования их физико-химических свойств.

Нанотрубка может быть получена из протяжённых фрагментов графита, которые далее скручиваются в трубку. Для образования протяжённых фрагментов необходимы специальные условия нагрева графита. Оптимальные условия получения нанотрубок реализуются в дуговом разряде при использовании электролизного графита в качестве электродов.

Среди различны продуктов термического распыления графита (фуллерены, наночастицы, частицы сажи) небольшая часть (несколько процентов) приходится и на многослойные нанотрубки, которые частично прикрепляются к холодным поверхностям установки, частично осаждаются на поверхности вместе с сажей.

Однослойные нанотрубки образуются при добавлении в анод небольшой примеси Fe, Co, Ni, Cd (т. е. добавлением катализаторов). Кроме того, однослойные нанотрубки получаются при окислении многослойных нанотрубок. С целью окисления многослойные нанотрубоки обрабатываются кислородом при умеренном нагреве, либо кипящей азотной кислотой, причём в последнем случае происходит удаление пятичленных графитовых колец, приводящее к открытию концов трубок Окисление позволяет снять верхние слои с многослойной трубки и открыть её концы. Так как реакционная способность наночастиц выше, чем у нанотрубок, то при значительном разрушении углеродного продукта в результате окисления доля нанотрубок в оставшейся её части увеличивается.

При электродуговом способе получения фуллеренов часть материала, разрушающегося под действием дуги графитового анода, осаждается на катоде. К окончанию процесса разрушения графитового стержня данное образование вырастает настолько, что охватывает собой всю область дуги. Этот нарост имеет форму чаши, в объем которого введен анод. Физические характеристики катодного нароста сильно отличаются от характеристик графита, их которого состоит анод. Микротвердость нароста 5.95 ГПа (графита –0.22 ГПа), плотность нароста 1.32 г/см 3 (графит -2.3 г/см 3), удельное электрическое сопротивление нароста составляет 1.4*10 -4 Ом м, что практически на порядок больше, чем у графита (1.5*10 -5 Ом м). При 35 К обнаружена аномально высокая магнитная восприимчивость нароста на катоде, что позволило предположить, что нарост состоит, в основном, из нанотрубок (Белов Н.Н.).

Свойства нанотрубок

Широкие перспективы использования нанотрубок в материаловедении открываются при капсулипровании внутрь углеродных нанотрубок сверхпроводящих кристаллов (например, ТаС). В литературе описана следующая технология. Использовался дуговой разряд постоянного тока ~30 А при напряжении 30 В в атмосфере гелия с электродами, представляющими собой спрессованную смесь таллиевой пудры с графитовым пигментом. Межэлектродное расстояние составляло 2-3 мм. С помощью туннельного электронного микроскопа в продуктах термического разложения материала электродов было обнаружено значительное количество кристаллов ТаС, капсулированных в нанотрубки . х арактерный поперечный размер кристаллитов составлял около 7 нм, типичная длина нанотрубок – более 200 нм. Нанотрубки представляли собой многослойные цилиндры с расстоянием между слоями 0,3481 ±0,0009 нм, близким к соответствующему параметру для графита. Измерение температурной зависимости магнитной восприимчивости образцов показали, что капсулированные нанокристаллы, переходят в сверхпроводящее состояние при Т=10 К.

Возможность получения сверхпроводящих кристаллов, капсулированных в нанотрубки, позволяет изолировать их от вредного воздействия внешней среды,например, от окисления, открывая тем самым путь к более эффективному развитию соответствующих нанотехнологий..

Большая отрицательная магнитная восприимчивость нанотрубок указывает на их диамагнитные свойства. Предполагают, что диамагнетизм нанотрубок обусловлен протеканием электронных токов по их окружности. Величина магнитной восприимчивости не зависит от ориентации образца, что связано с его неупорядоченной структурой. Относительно большое значение магнитной восприимчивости указывает на то, что, по крайней мере, в одном из направлений эта величина сравнима с соответствующим значением для графита. Отличие температурной зависимости магнитной восприимчивости нанотрубок от соответствующих данных для других форм углерода указывает на то, что углеродные нанотрубки являются отдельной самостоятельной формой углерода, свойства которой принципиально отличаются от свойств углерода в других состояниях .

Применение нанотрубок

В основе многих технологических применений нанотрубок лежит такое их свойство, как высокая удельная поверхность (в случае однослойной нанотрубки около 600 кв. м. на 1/г), что открывает возможность их использования в качестве пористого материала в фильтрах и т.д.

Материал нанотрубок с успехом может использоваться в качестве несущей подложки для осуществления гетерогенного катализа, причем каталитическая активностьоткрытых нанотрубок заметно превышает соответствующий параметр длязамкнутыхнанотрубок.

Возможно использование нанотрубок с высокой удельной поверхность в качестве электродов для электролитических конденсаторов с большой удельной мощностью.

Углеродные нанотрубки хорошо себя зарекомендовали в экспериментах по использованию их в качестве покрытия, способствующего образованию алмазной пленки. Как показывают фотографии, выполненные с помощью электронного микроскопа, алмазная пленка, напыленная на пленку нанотрубок, отличается в лучшую сторону в отношении плотности и однородности зародышей от пленки, напыленной на С 60 и С 70 .

Такие свойства нанотрубки, как ее малые размеры, меняющаяся в значительных пределах в зависимости от условий синтеза, электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность, позволяют рассматривать нанотрубку в качестве основы будущих элементов микроэлектроники. Расчетным путем доказано, что введение в идеальную структуру нанотрубки в качестве дефекта пары пятиугольник–семиугольник изменяет ее электронные свойства. Нанотрубка с внедренным в нее дефектом может рассматриваться как гетеропереход металл-полупроводник, который, в принципе, может составить основу полупроводникового элемента рекордно малых размеров.

Нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхности электронных схем.

Интересные применения могут получить нанострубки при заполнении их различными материалами. При этом нанотрубка может использоваться как в качестве носителя заполняющего ее материала, так и в качестве изолирующей оболочки, предохраняющей данный материал от электрического контакта, либо от химического взаимодействия с окружающими объектами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя фуллерены имеют короткую историю, это направление науки быстро развивается, привлекая к себе все новых исследователей. Эта область науки включает три направления: физика фуллеренов, химия фуллеренов и технология фуллеренов.

Физика фуллеренов занимается исследованием структурных, механических, электрических, магнитных, оптических свойств фуллеренов и их соединений в различных фазовых состояниях. Сюда относится также изучение характера взаимодействия между атомами углерода в этих соединениях, спектроскопия молекул фуллеренов, свойства и структура систем, состоящих из молекул фуллеренов. Физика фуллеренов является наиболее продвинутой ветвью в области фуллеренов.

Химия фуллеренов связана с созданием и изучением новых химических соединений, основу которых составляют замкнутые молекулы углерода, а также изучает химические процессы, в которых они участвуют. Следует отметить, что по концепциям и методам исследования это направление химии во многом принципиально отличается от традиционной химии.

Технология фуллеренов включает в себя как методы производства фуллеренов, так и различные их приложения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов В. И., Станкевич И. В. Фуллерены-новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства//Успехи химии, т.62 (5), с.455, 1993.

2. Новые направления в исследованиях фуллеренов//УФН, т. 164 (9), с. 1007, 1994.

3. Елецкий А. В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода//УФН, т. 165 (9), с.977, 1995.

4. Золотухин И.В. Фуллерит – новая форма углерода//СОЖ №2, с.51, 1996.

5. Мастеров В.Ф. Физические свойства фуллеренов//СОЖ №1, с.92, 1997.

6. Лозовик Ю.В., Попов А.М. Образование и рост углеродных наноструктур – фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов//УФН, т. 167 (7), с. 151, 1997/

7. Елецкий А.В. .Углеродные нанотрубки//УФН, т.167(9), с.945, 1997.

8. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены//УФН, т.168 (3), с.323, 1998 .

9. Чурилов Г.Н. Обзор методов получения фуллеренов//Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 5-7 октября 1999 г,. с. 77-87.

10. Белов Н.Н. и др. Строение поверхности катодного нароста, образующегося при синтезе фуллеренов // Аэрозоли т.4f, N1, 1998 г. с.25-29

11. Jarkov S.M.,. Titarenko Ya .N., Churilov G.N. Elektron microscopy studies off FCC carbon particles// Carbon, v. 36, N 5-6, 1998, p. 595-597

12. Кашкин В.Б., Рублева Т.В., Кашкина Л.В., Мосин Р.А. Цифровая обработка электронно-микроскопических изображений углеродных частиц в фуллерено-содержащей саже // Материалы 2 межрегиональной конференции с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы», Красноярск, КГТУ, 5-7 октября 1999 г,. с. 91-92

Фуллере́н , бакибо́л , или букибо́л - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру , чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани. Заметим, что для существования такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников , утверждающей справедливость равенства | n | − | e | + | f | = 2 {\displaystyle |n|-|e|+|f|=2} (где | n | , | e | {\displaystyle |n|,|e|} и | f | {\displaystyle |f|} соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 {\displaystyle n/2-10} шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными , если снаружи - экзоэдральными .

Энциклопедичный YouTube

1 / 2

✪ Bill Joy: What I"m worried about, what I"m excited about

✪ 12 * L"homme qui empoisonna l"Humanité en voulant la sauver

Субтитры

Переводчик: Marina Gavrilova Редактор: Ahmet Yükseltürk Какие технологии мы можем реально использовать для сокращения глобальной бедности? То, что я понял, было довольно неожиданно. Мы начали изучать такие вещи, как уровень смертности в двадцатом веке, и как с тех пор положение улучшилось, и всплыли очень интересные и простые вещи. Может показаться, что решающую роль сыграли антибиотики, а не чистая вода, но на самом деле всё наоборот. И очень простые вещи -- готовые технологии, которые легко было найти на ранних ступенях развития интернета -- могли кардинально изменить эту проблему. Но, глядя на более мощные технологии, такие как нанотехнологии и генная инженерия, а также другие возникающие цифровые технологии, я обеспокоился возможными злоупотребленями в этих областях. Задумайтесь, ведь в истории, много лет тому назад, мы имели дело с эксплуатацией человека человеком. Тогда мы придумали десять заповедей: не убий. Это своего рода индивидуальное решение. Наши поселения стали организовываться в города. Население увеличивалось. И, чтобы защитить человека от тиранства толпы, мы придумали такие концепции, как свобода личности. Затем, чтобы иметь дело с большими группами, скажем, на уровне государства, либо в результате договоров о взаимном ненападении, либо в результате ряда конфликтов, мы в конце концов пришли к своеобразному мировому соглашению о сохранении мира. Но на сегодняшний день ситуация изменилась, это то, что люди называют асимметричной ситуацией, когда технологии стали настолько мощны, что они уже выходят за пределы государства. Теперь уже не государства, а отдельные индивиидумы имеют потенциальный доступ к оружию массового уничтожения. И это является следствием того факта, что эти новые технологии, как правило, цифровые. Мы все видели геномные последовательности. При желании, кто угодно может скачать последовательности генов патогенных микроорганизмов из Интернета. Если хотите, я недавно прочёл в одном научном журнале, что штамм гриппа 1918 г. слишком опасен для пересылки. И если кому-то нужно использовать его в лабораторных исследованиях, предлагается просто реконструировать его, чтобы не подвергать опасности почту. Такие возможности, бесспорно, существуют. Таким образом, небольшие группы людей, имеющие доступ к такого рода само-воспроизводящимся технологиям, будь то биологические или другие технологии, представляют явную опасность. И опасность в том, что они могут, в сущности, создать пандемию. А у нас нет реального опыта работы с пандемиями, а также, как общество, мы не очень хорошо умеем справляться с незнакомыми вещами. Принятие превентивных мер не в нашей природе. И в этом случае, технология не решает проблему, потому что она только открывает перед людьми больше возможностей. Рассел, Эйнштейн и другие, обсуждая это в гораздо более серьёзной форме, я думаю, ещё в начале двадцатого века, пришли к заключению, что решение должно приниматься не только головой, но и сердцем. Возьмите, к примеру, открытые обсуждения и моральный прогресс. Преимущество, которое дает нам цивилизация, это возможность не использовать силу. Наши права в обществе защищаются в основном посредством законных мер. Чтобы ограничить опасность этих новых вещей, необходимо ограничить доступ отдельных лиц к источникам создания пандемий. Нам также нужны значительные средства обороны, потому что действия сумасшедших людей могут быть непресказуемыми. А самая неприятная вещь -- это то, что сделать что-то плохое гораздо легче, чем разработать защиту во всех возможных ситуациях; поэтому преступник всегда имеет асимметричное преимущество. Вот такие мысли я думал в 1999 и 2000 годах; мои друзья видели, что я находился в подавленном состоянии, и беспокоились за меня. Тогда же я подписал контракт на написание книги, в которой я намеревался изложить свои мрачные мысли, и переехал в гостиничный номер в Нью-Йорке с одной комнатой, полной книг о чуме и о взрывах ядерных бомб в Нью-Йорке; создал атмосферу, одним словом. И я был там 11 сентября, стоял на улице со всеми. Происходило что-то невероятное. Я встал на следующее утро и вышел из города, все уборочные грузовики были припаркованы на Хьюстон-стрит, готовые к разбору завалов. Я шел по середине улицы, до железнодорожной станции; всё, ниже 14-ой улицы, было перекрыто. Это было невероятно, но не для тех, у кого была комната, полная книг. Было удивительно, что это произошло тогда и там, но не удивительно, что это в принципе произошло. Все потом начали об этом писать. Тысячи людей начали писать об этом. И в конце концов я отказался от книги, а затем Крис позвонил мне с предложением выступить на конференции. Я об этом больше не говорю, потому что и без этого происходит достаточно удручающих вещей. Но я согласился прийти и сказать несколько слов по этому поводу. И я бы сказал, что мы не должны отказываться от верховенства закона в борьбе с асимметричными угрозами, что, похоже, делают в настоящее время люди, находящиеся у власти, потому что это равно отказу от цивилизации. И мы не можем бороться с угрозой в такой глупой форме, как мы это делаем, потому что действие в миллион долларов приводит к ущербу на миллиард долларов и к противодействию на триллион долларов, каковое является неэффективным и, почти наверняка усугубляет проблему. Невозможно с чем-то бороться, если затраты находятся в соотношении миллион к одному, а шансы на успех -- один к миллиону. После отказа от книги, около года назад, я имел честь присоединиться к Kleiner Perkins и получил возможность с помощью венчурного капитала работать над инновациями, пытаясь найти такие инновации, которые можно было бы использовать для решения основных проблем. В таких вещах разница в десять раз может в итоге дать выигрыш в тысячу раз. Я был поражен в прошлом году невероятным качеством и импульсом инноваций, которые прошли через мои руки. Временами это было просто захватывающе. Я очень благодарен Google и Wikipedia за то, что я мог понять хотя бы немного из того, о чём говорили приходящие люди. Я бы хотел рассказать вам о трёх областях, которые вселяют в меня особую надежду, касаемо проблем, о которых я писал в статье в журнале "Wired". Первая область -- это образование в целом, а в сущности, это относится к тому, что говорил Николас (Nicholas Negroponte) о 100-долларовых компьютерах. Закон Мура ещё далеко не исчерпан. Наиболее передовые транзисторы на сегодня -- 65 нанометров, и я с удовольствием инвестировал в компании, которые дают мне большую уверенность в том, что закон Мура будет работать вплоть до масштаба примерно 10 нанометров. Ещё уменьшение размеров, скажем, в 6 раз должно улучшить производительность чипов в 100 раз. Таким образом, в практическом плане, если что-то стоит порядка 1000 долларов на сегодняшний день, скажем, лучший персональный компьютер, который можно купить, то его стоимость в 2020 году, я думаю, может быть 10 долларов. Неплохо? Представьте себе, сколько-же будет стоить упомянутый 100-долларовый компьютер в 2020 году в качестве инструмента для обучения. Я думаю, что наша задача -- а я уверен, что это произойдет, разработать такие учебно-методические пособия и сети, которые-бы позволили нам воспользоваться этим устройством. Я убеждён, что мы обладаем невероятно мощными компьютерами, но у нас нет для них хорошего программного обеспечения. И только по прошествии времени, когда появляется более качественное программное обеспечение, вы запускаете его на 10-летней машине и говорите: "Боже, эта машина была способна работать так быстро?" Я помню, когда интерфейс Apple Mac поставили обратно на Apple II. Apple II прекрасно работал с этим интерфейсом, просто в то время мы ещё не знали, как это сделать. Исходя из того, что Закон Мура работал в течении 40 лет, можно предположить, что так оно и будет. Тогда мы знаем, какими будут компьютеры в 2020 году. Это здорово, что у нас есть инициативы для организации образования и просвещения людей по всему миру, потому что это великая сила мира. И мы можем обеспечить каждого в мире 100-долларовым компьютером или 10-долларовым компьютером в течение ближайших 15 лет. Второе направление, на котором я концентрируюсь -- это проблема экологии, потому что она оказывает сильное влияние на весь мир. Скоро Альберт Гор расскажет об этом подробнее. Нам кажется, что существует своего рода тенденция Закона Мура, согласно которой новые материалы являются движущей силой прогресса в области экологии. Перед нами стоит сложная задача, потому что городское население выросло в этом столетии с 2 до 6 миллиардов в очень короткий промежуток времени. Люди перебираются в города. Всем нужна чистая вода, энергия, средства передвижения, и мы хотим развивать города по зеленому пути. Промышленные сектора достаточно эффективны. Мы добились улучшений в области энергетики и эффективности использования ресурсов, но потребительский сектор, особенно в Америке, очень неэффективен. Новые материалы привносят такие невероятные новшества, что есть веские основания надеяться, что они будут достаточно выгодными, чтобы попасть на рынок. Я хочу привести конкретный пример нового материала, который был открыт 15 лет назад. Это углеродные нанотрубки, которые Иидзима открыл в 1991 году, у них просто невероятные свойства. Такие вещи мы обнаруживаем, когда начинаем проектировать на нано уровне. Их сила в том, что это практически самый прочный материал самый устойчивый к растяжению из известных. Они очень, очень жесткие и тянутся очень мало. В двух измерениях, если например из них сделать ткань, то она будет в 30 раз прочнее, чем кевлар. А если сделать трехмерную структуру, например букибол, у него будут невероятные свойства. Если обстрелять его частицами и пробить в нём дыру, он сам себя отремонтирует, быстренько так отремонтирует, в течении фемтосекунд, что не.. Очень быстро. (Смех в зале) Если его осветить, он генерирует электроэнергию. Фото-вспышка может вызвать его возгорание. Если его наэлектризовать, он испускает свет. Через него можно пропустить в тысячу раз больший ток, чем через кусок металла. Из них можно сделать полупроводники как р-, так и n-типа, что означает, что из них можно делать транзисторы. Они проводят тепло по длине, но не поперёк -- тут нельзя говорить о толщине, просто о поперечном направлении -- если поместить их один на другой; это также свойство и углеродного волокна. Если поместить в них частицы, и стрелять -- они действуют как миниатюрные линейные ускорители или электронные пушки. Внутренняя часть нанотрубки настолько мала, -- самая маленькая из них 0,7 нм -- что это в сущности уже квантовый мир. Странное это пространство -- внутри нанотрубки. Итак, мы начинаем понимать, и уже существуют бизнес-планы, вещи, о которых говорит Лиза Рэндел. У меня был один бизнес-план, где я пытался узнать больше о Виттеновских струнах космических измерений, чтобы попытаться понять, что происходит в предлагаемом наноматериале. Так что мы действительно уже на пределе внутри нанотрубки. То есть мы видим, что из этих и других новых материалов можно создавать вещи с различными свойствами -- легкие и прочные -- и применять эти новые материалы для решения экологических проблем. Новые материалы, которые могут создавать воду, новые материалы, которые могут заставить топливные элементы работать лучше, новые материалы, которые катализируют химические реакции, которые уменьшают загрязнение окружающей среды и так далее. Этанол -- новые способы изготовления этанола. Новые способы построения электрического транспорта. Зеленый сон наяву -- потому что это может быть выгодным. И мы вложили -- мы недавно основали новый фонд, мы вложили 100 миллионов долларов в такого рода инвестиции. Мы считаем, что Genentech, Compaq, Lotus, Sun, Netscape, Amazon, и Google ещё появятся в этих областях, потому что это революция в материалах будет двигателем прогресса. Третье направление, над которым мы работаем, и о котором мы только что объявил на прошлой неделе в Нью-Йорке. Мы основали 200-миллионный специальный фонд для разработки биозащиты от пандемий. И, чтобы дать вам представление: последний фонд, основанный Клейнером, оценивается в 400 миллионов долларов, так что это для является очень существенным фондом. Что мы сделали за последние несколько месяцев - несколько месяцев назад мы с Рейем Курцвейлом написали обзорную статью в "Нью-Йорк Таймс" о том, насколько опасна была публикация генома гриппа 1918г. Джон Дерр, Брук и другие обеспокоились этим [неясно], и мы стали изучать, как мир готовился к пандемии. Мы увидели много пробелов. Мы задались вопросом, можно-ли найти такие инновации, которые заполнят эти пробелы? И Брукс сказал мне в перерыве, что он нашел так много вещей, от волнения он не может спать, так много замечательных технологий, что мы просто можем в них закопаться. Мы нуждаемся в них, вы знаете. У нас в резерве есть один антивирусный препарат; говорят, что он по-прежнему работает. Это "Тамифлю". Однако вирус Тамифлю устойчив. Он устойчив к препарату "Тамифлю". Из опыта со СПИДом, мы видим, что хорошо работают коктейли, то есть для вирусной устойчивости нужно несколько препаратов. Нужно глубже это исследовать. Нужны группы, которые могут выяснить, что происходит. Нужна экспресс-диагностика, чтобы мочь выявить штамм гриппа, который только недавно был открыт. Нужно иметь возможность быстро выполнять экспресс-диагностику. Нужны новые антивирусные препараты и коктейли. Нужны новые виды вакцин. Вакцины широкого спектра. Вакцины, которые можно быстро изготовлять. Коктейли, более мощные вакцины. Обычная вакцина работает против 3 возможных штаммов. Мы не знаем, какой именно активизировался. Мы считаем, что если-бы мы могли заполнить эти 10 пробелов, у нас была-бы возможность реально уменьшить риск возникновения пандемии. Обычный сезонный грипп и пандемия находятся в отношении 1:1000 в терминах летальных исходов, ну и, конечно, влияние на экономику огромно. Поэтому мы очень рады, потому что мы думаем, что можем финансировать 10, или, по крайней мере, ускорить 10 проектов и быть свидетелями их выхода на рынок в ближайшие пару лет. Таким образом, если с помощью технологии мы можем помочь в решении проблем в области образования, окружающей среды, в борьбе с пандемиями, то решит-ли это более широкую проблему, которую я обсуждал в журнале "Wired"? Я боюсь, что ответа на самом деле нет, потому что невозможно решить проблему управления технологией с помощью технологии-же. Если оставить неограниченную власть в свободном доступе, то очень небольшое количество людей сможет использовать это в своих целях. Невозможно бороться, когда шансы находятся в соотношении миллион к одному. Что нам нужно, так это более эффективные законы. Например, то, что мы можем сделать, то, что пока не витает в политическом воздухе, но, возможно, со сменой администрации будет -- это использование рынков. Рынки являются очень мощной силой. Например, вместо того, чтобы пытаться регулировать проблемы, что, вероятно, не будет работать, если-бы мы могли внести стоимость катастрофы в затраты на ведение бизнеса, так, чтобы люди, которые работают с бизнесом повышенного риска, могли-бы застраховаться от этого риска. Например, вы можете это использовать, чтобы выйти на рынок с лекарством. Оно не должно будет быть одобрено регулирующими органами; но вам придется убедить страховую компанию, что это безопасно. А если применить понятие страхования в более широком масштабе, вы можете использовать более мощную силу, силу рынка, чтобы обеспечить обратную связь. Как можно обеспечить такое законодательство? Я думаю, что подобное законодательство нужно поддерживать. Нужно провлекать людей к ответственности. Закон требует ответственности. На сегодняшний день ученые, технологи, бизнесмены, инженеры не несут личную ответственность за последствия своих действий. Если что-то делаешь, нужно делать это в согласии с законом. И наконец, я думаю, мы должны сделать - это практически невозможно сказать -- мы должны начать проектировать будущее. Мы не можем выбрать будущее, но мы можем поменять его направление. Наши инвестиции в попытки предотвратить пандемии гриппа влияют на распределение возможных результатов. Мы может быть не в состоянии остановить пандемию, но вероятность того, что она не затронет нас, ниже, если мы концентрируемся на этой проблеме. Таким образом, мы можем конструировать будущее, выбирая то, что мы хотим, чтобы произошло и предотвращая то, что не хотим, и направляя развитие в место с меньшим риском. Вице-президент Гор расскажет о том, как мы могли бы направить траекторию климата в область с низкой вероятностью катастрофы. Но самое главное, что мы должны делать -- это мы должны помочь хорошим ребятам, людям, занятым в обороне, получить преимущество по сравнению с людьми, которые могут использовать ситуацию в своих целях. И то, что мы должны сделать -- это ограничить доступ к определенной информации. Принимая во внимание те ценности, на которых мы выросли, то высокое значение, мы придаём свободе слова, это трудно принять -- всем нам трудно это принять. Особенно трудно это ученым, которые помнят гонения, которым подвергался Галилей, но все же боролся против церкви. Но это цена цивилизации. Ценой за сохранение закона является ограничение доступа к неограниченной власти. Спасибо за внимание. (Аплодисменты)

История открытия

Фуллерены в природе

После получения в лабораторных условиях молекулы углерода были найдены в некоторых образцах шунгитов Северной Карелии в фульгуритах США и Индии , метеоритах и донных отложениях , возраст которых достигает 65 миллионов лет .

Фуллерены в больших количествах были обнаружены и в космосе : в 2010 году в виде газа , в 2012 году - в твёрдом виде .

Структурные свойства

Молекулярное образование углерода в форме усечённый икосаэдр имеет массу 720 а. е. м. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов - фуллерен (C 60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр , состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (как идеальная форма, крайне редко встречающаяся в природе). Так как каждый атом углерода фуллерена С 60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С 60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13 С - он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1,39 , а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1,44 Å . Кроме того, связь первого типа двойная, а второго - одинарная, что существенно для химии фуллерена С 60 . В действительности изучение свойств фуллеренов полученных в больших количествах показывают распределение их объективных свойств (химическая и сорбционная активности) на 4 устойчивых изомера фуллерена , свободно определяемые по различному времени выхода из сорбционной колонки жидкостного хроматографа высокого разрешения. При этом атомная масса всех 4-х изомеров равнозначна - имеет массу 720 а. е. м.

Следующим по распространённости является фуллерен C 70 , отличающийся от фуллерена C 60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C 60 , в результате чего молекула 34 является вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби .

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C n , n =74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита , получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях . В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Сажу растворяют в бензоле или толуоле и из полученного раствора выделяют в чистом виде граммовые количества молекул С 60 и С 70 в соотношении 3:1 и примерно 2 % более тяжёлых фуллеренов . Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени , химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час) . Впоследствии фирме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород , и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С 2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13 С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12 С. После экстракции фуллеренов было показано методом ЯМР , что атомы 12 С и 13 С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С 60 за последние 17 лет - с 10 тыс. до 10-15 долл. за грамм , что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана - Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Из-за относительно высокой стоимости начального продукта - графита, этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси , которой удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5 долл./грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге , а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок - смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С 60 и С 70 и кристаллы С 60 /С 70 , являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап - удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150-250 °C в условиях динамического вакуума (около 0,1 торр).

Физические свойства и прикладное значение

Фуллериты

Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами . Наиболее изученная система такого рода - кристалл С 60 , менее - система кристаллического С 70 . Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.

Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π-связями , в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса , определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C 60 .

При комнатных температурах кристалл С 60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1,415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Т кр ≈260 ) и кристалл С 60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1,411 нм) . При температуре Т > Т кр молекулы С 60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С 70 при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе . Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

Нелинейные оптические свойства

Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С 60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С 60 способны генерировать и третью гармонику .

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С 60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм . Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

Квантовая механика и фуллерен

Гидратированный фуллерен (HyFn);(С 60 (H 2 O)n)

Гидратированный фуллерен С 60 - C 60 HyFn - это прочный, гидрофильный супрамолекулярный комплекс, состоящий из молекулы фуллерена С 60 , заключенной в первую гидратную оболочку, которая содержит 24 молекулы воды: C 60 @(H 2 O) 24 . Гидратная оболочка образуется вследствие донорно-акцепторного взаимодействия неподеленных пар электронов кислорода молекул воды с электрон-акцепторными центрами на поверхности фуллерена. При этом, молекулы воды, ориентированные вблизи поверхности фуллерена связаны между собой объёмной сеткой водородных связей. Размер C 60 HyFn соответствует 1,6-1,8 нм. В настоящее время, максимальная концентрация С 60 , в виде C 60 HyFn, которую удалось создать в воде, эквивалентна 4 мг/мл. [уточните ссылку ] Фотография водного раствора С 60 HyFn с концентрацией С 60 0,22 мг/мл справа.

Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента .

Фуллерен как фоторезист

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями . В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки С 60 .

Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С 2 , которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0,6 мкм/ч, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы - использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения .

Сверхпроводящие соединения с С 60

Молекулярные кристаллы фуллеренов - полупроводники , однако в начале 1991 года было установлено, что легирование твёрдого С 60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник . Легирование С 60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X 3 С 60 (Х - атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий . Переход соединения К 3 С 60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников . Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х 3 С 60 , либо XY 2 С 60 (X,Y - атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs 2 С 60 - его Т кр =33 К .

Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ

Следует отметить, что присутствие фуллерена С 60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимерной плёнки толщиной 100 нм. Образованная плёнка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

Другие области применения

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды , содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления . При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %.

Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.

Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Химические свойства

Фуллерены, несмотря на отсутствие атомов водорода, которые могут быть замещены как в случае обычных ароматических соединений , всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса - Альдера , реакция Прато , реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С 60 Н 2 до С 60 Н 50 .

Медицинское значение

Антиоксиданты

Фуллерены являются мощнейшими антиоксидантами , известными на сегодняшний день. В среднем они превосходят действие всех известных до них антиоксидантов в 100-1000 раз. Предполагается, что именно благодаря этому они способны значительно продлевать среднюю продолжительность жизни крыс и круглых червей . В природном виде содержатся в шунгите и морском воздухе. Предполагается, что фуллерен С 60 , растворённый в оливковом масле, может встраиваться в двухслойные липидные мембраны клеток и митохондрий и действовать как многоразовый антиоксидант

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства