Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Чому ці структури назвали бакмінстерфулеренами (фулеренами)? 1 часть



Ці дивовижні структури названі на честь Ричарда Бакмінстера Фуллера архітектора, математика, картографа, філософа і поета [Трефилов В.И., 2001; Кац Е.А., 2008; Lu X., Chen Z., 2005 5, 14, 26]. Р. Б. Фуллер (1895-1983) народився в м. Мільтон штат Массачусетс. Навчався в Гарвардському університеті, але не зумів отримати диплом про вищу освіту. Під час 1 світової війни Р.Б. Фуллер служив в американському флоті командиром рятівних катерів. У 1917 році одружується на Ганні Хьюлетт, дочці Д. Хьюлетта, архітектора, художника, автора модульної конструкції, в якій використовуються блоки з пресованого композиційного матеріалу. Після війни Р.Б. Фуллер разом з тестем організує компанію по будівництву будинків зі застосуванням пресованих матеріалів. Але компанія проіснувала не довго. Вже у 1927 році Р.Б. Фуллер розробляє концепцію жилого дому, що отримав назву Димаксіон Дім, обігрівання якого здійснювалося за допомогою сонячних батарей, а охолодження – потоком повітря, швидкість якого регулювалося системою вентиляції.

Найбільшу відомість отримали будови Р.Б. Фуллера, в основу яких покладений біологічний і математичний (геометричний) принципи. Р.Б. Фуллер прийшов до надзвичайно цікавого і важливого висновку: природа за мільйони років еволюції розробила економний принцип векторної системи побудови біологічних структур, який забезпечував оптимальне, ефективне, найбільш доцільне та природне співвідношення їх конструювання атомів, молекул, клітин, органів і мікро – та макроорганізмів, зокрема, міцність, сила, стійкість, можливість взаємодії з іншими об’єктами, постійного функціонування величезної кількості не тільки органічних молекул, але неорганічних структур. Р.Б. Фуллер пропонує впровадити у будівництво споруд векторну геометрію, яку назвав енергетично-синергічною геометрією (energetic-synergetic geometry).

У 50-их роках ХХ століття Р.Б. Фуллер отримав більше десяти патентів на побудову споруд у формі геодезичного куполу, реалізувавши їх ідею в нові будинки. У 1958 році будує в Лос-Анджелесі будинок для компанії Union Tank Car Company з куполом рекордних розмірів: 117 метрів в діаметрі і 35 метрів висотою. В штаті Огайо в околицях м. Клівленд Р.Б. Фуллер у 1959 році знову будує за своєю технологією штаб-квартиру міжнародного товариства інформації по матеріалам (ASM International – the Materials Information Society), а також у цьому році приймає участь і відкритті в Москві павільйону першої американської виставки.



Але вершиною архітектурного генію Р.Б. Фуллера є дві споруди:

1. Побудований в м. Монреаль за його проектом павільйон США на всесвітній виставці ЕКСПО-67.

2. Павільйон “Космос – Земля” у Диснейленді.

Ці споруди у вигляді величезних куполів були названі легендою американської архітектури. Вони неодноразово включалася у списки самих відомих і оригінальних архітектурних споруд всіх часів і народів світу. На сьогодні побудовано тисячі геодезичних куполів в різних країнах світу і всі архітектори правильно вважають, що родоначальником таких споруд був Р.Б. Фуллер. Але як геніальна людина Р.Б. Фуллер не вважав себе великим архітектором і великим винахідником. На його думку всі його споруди зроблені випадково або вважаються проміжними кроками в реалізації глобальної проблеми людства: отримання максимальних результатів при мінімальних затратах. Його всесвітньо відомі геодезичні купола є лише архітектурним втіленням енергетично-синергічної геометрії.

На думку Р.Б. Фуллера геодезичною сферою або геодезичним куполом слід вважати многогранні структури, поверхня яких оптимально вписується у заплановану будову. Наприклад, побудований за проектом Р.Б. Фуллера у Диснейленді павільйон “Космос – Земля” є переконливим прикладом геодезичної сфери. Сфера, яку вибрав геніальний архітектор, є геометричним тілом з максимально оптимальним співвідношенням площі та поверхні. Якраз геодезична сфера буде мати найменшу площу поверхні границь з навколишнім середовищем, що у свою чергу значно підвищує міцність такої споруди, робить її легшою, дешевшою та мінімізує втрати тепла. Останнє надзвичайно важливе у зв’язку з підвищенням цін на енергоносії. У Р.Б. Фуллера виникла ідея геодезичного куполу з бажанням підвищення коефіцієнта корисної дії цивілізації взагалі і у будівництві, зокрема.



Р.Б. Фуллер не догадувався про існування фулеренів, але існування такого класу стійких вуглецевих молекул у навколишньому середовищу, ще раз підкреслює геніальність цієї людини та інтуїтивне відкриття того факту, що природа на всіх етапах розвитку використовувала оптимальні і найбільш економні підходи. У монографії “Синергетика” Р.Б. Фуллер узагальнив наукові основи синергетичної геометрії, яка має застосування не тільки у будівництві, але у природі. Ще у книзі “Інструкція по експлуатації Землі як космічного корабля” він розглядав землю як великий космічний корабель, а землян – його пасажирів.

Р.Б. Фуллер отримав звання професора університету Південного Ілінойса, ушанований багатьма нагородами. З рук королеви Великобританії Елізавети ІІ отримав медаль з архітектури і золоту медаль Американського Національного Інституті мистецтв і літератури. Президент США Р. Рейган нагородив Р.Б. Фуллера “Медаллю Свободи”, що є вищою нагородою цієї держави цивільним людям. Він часто виступав з лекціями в багатьох країнах, в яких не тільки пропагандував свої нові будівлі, але також закликав людей до працювати як єдина команда з метою досягти максимального успіху з мінімальними затратами сил і часу. Як великий митець, природа, маючи й невеликі засоби, досягає великих, а, інколи, і фантастичних успіхів. Приклад – відкриття фулеренів.

Ознайомившись з біографією Ричарда Бакмінстера Фуллера, та вивчивши структуру його знаменитих архітектурних творінь, особливо, куполів, вчені пришли до згоди назвати ці сполуки бакмінстерфуллеренами. Г Крото так описує виникнення ідеї назвати нові сферичні хімічні структури бакмінстерфуллеренами, а пізніше фуллеренами: „Моя пропозиція назвати молекулу „бакмінстерфуллерен” (їй дійсно підходить закінчення –ен) після деякої дискусії було прийнято, і ми відправили статтю у Nature. Дата поступлення її у редакцію – 13 вересня (наголошую, що досліди почалися 1 вересня)” [Крото Г., 1996 7].

2. Які були історичні етапи вивчення фулеренів?Астрономам і фізикам був відомим факт, що при проходженні світла від далекої зірки через пил у космічному просторі його інтенсивність зменшується. Це явище назвали феноменом розсіювання світла малими частинками графіту, який міститься у космічному пилу.

У 1996 році Д. Джонс передбачив, що введення у шар графіту, який складається з правильних шестикутників та п’ятикутників, може перетворити цей плоский графітовий шар у порожню замкнуту оболонку – велику каркасну молекулу вуглецю. Через 4 роки японський хімік Е. Осава надрукував статтю про можливість існування молекули з 60-и атомів вуглецю, яка була подібна до зрізаного ікосаедра. Автор передбачив ароматичні властивості та стабільність нової молекули [Керл Р.Ф., 1996; Крото Г., 1996 7, 8].

Російські вчені Бочвар Д.А. і Гальперн Є.Г. (1973) провели розрахунок електронної структури даної молекули []. З середини 80-их років О. Чемпен, відомий спеціаліст з органічного синтезу (Каліфорнійській університет. Лос-Анжелес), ініціював програму досліджень з метою синтезу молекул С60. Але успіх був досягнутий пізніше. У 2002 році методом органічного синтезу отримано молекулу С60 [Scott L.T. et al., 2002 31].

За експериментальне відкриття у 1985 році фулеренів та встановлення їх хімічної структури через 11 років у 1996 році англійському вченому-хіміку Гарольду Крото, а також американським вченим-хімікам Роберту Керлу і Ричарду Смолі присуджена Нобелівська премія в області хімії. Автори премії так описують безпосередній процес відкриття фулеренів, відомій у світовій науці як „десять вересневих днів ”. Група вчених: Г. Крото, Р.Е. Смоллі, Р.Ф. Керл, Ян Ліу, С. ОБрієн і Д. Хіт (три останні дослідники були студентами) працювали p 1 по 10 вересня (у деяких статтях ці дні називають „надзвичайна декада”) 1985 року в університеті Райса штат Техас, США. Цим дослідникам вдалося спільними зусиллями отримати експериментальні докази, що в умовах гарячої вуглецевої плазми утворюються молекули С60 з більш дрібних вуглецевих фрагментів. Результати досліджень були надруковані в журналі „Nature” у 1985 році, більш детальні дані автори узагальнили в журналі “Nature” і “Science” [Kroto H. et al., 1985; Kroto H., 1988 23, 24].

Позитивний приклад для наслідування іншим: вчені різних країн організовують тимчасову наукову групу, залучають для проведення дослідів студентів і отримують світової новизни дані, які через деякий час становлять основу для отримання самої відомої Нобелівської премії.

Лауреати Нобелівської премії правдиво описують про тих вчених та дослідження, які виконувалися раніше у цьому напрямку. У Нобелівській лекції (Стокгольм, 7 грудня 1996 року) Г. Крото так говорив: „Це відкриття, однак, мало передісторію: саму першу роботу, у якій писали про молекулу С60 була надрукована у 1970 році на японській мові у журналі Kugaku”, у якій Єджі Осава висловив припущення про її стабільність. У наступному році у спільній книзі з вченим З. Іошидою вони більш детально обговорюють можливі властивості цієї ароматичної молекули. Теоретичні дослідження цього питання виконано Бочваром і Гальперн у 1972 р. Дещо раніше (1966 р.) Давид Джонс припустив, що введення у графітовий шар, який складається з правильних шестикутників, дефектів у вигляді п’ятикутників може перетворити цей плоский шар у порожнисту замкнуту оболонку. Однак, ми не були ознайомлені з цією передісторією і ні один із нас ніколи раніше не чув про подібну молекулу і не висловлювався на цю тему” [Крото7]. Це стало можливим тому, що Г. Крото, Р.Е. Смоллі, Р.Ф. Керл були досвідченими хіміками-експериментаторами, які не тільки займалися синтезом органічних молекул, але конструювали оригінальні прилади для вивчення і одержання нових хімічних структур. Якраз Р.Е. Смоллі розробив прилад АР2 – надзвукового джерела кластери них пучків з лазерним випаровуванням, який допоміг експериментально встановити наявність фулеренів у шарі графіту. Правий був Л. Пастер, який говорив: „Доля одаровує тільки підготовлені уми”.

Р.Е. Смоллі у своїй Нобелівські лекції (Стокгольм, 7.ХІІ.1996 р.) так сказав: „Як би там не було, а на цьому тижні віддаю дань поваги конкретному відкриттю, здійснилося у вересні 1985 року... Основним моментом даного відкриття є встановлення способу конденсації, які властиві вуглецю при утворені кластерів... Для розвитку цієї концепції необхідні були нові факти та розробка нової техніки спостережень, яка дозволяє детально досліджувати властивості вуглецевих кластерів і властивості їх росту від 40 до 100 атомів” [Смоли Р.Е., 1996 13].

Для більш детального розуміння історичних етапів дослідження фулеренів доцільно зупинитися на ролі відомого швейцарського вченого математика, механіка, фізика і астронома, який 14 років жив в Росії, Леонарда Ейлера (1707-1783). Серед його більш ніж 800 наукових праць 75 друкованих робіт присвячені геометрії. Для розвитку вчення про фулерени особливе значення має знаменита теорема Л. Ейлера про співвідношення між числом вершин (В), ребер (Р) і граней (Г) випуклого багатокутника. Ця теорема і сьогодні часто застосовується фізиками, хіміками і математиками, в тому числі, і для вчення про фулерени:

В – Р + Г = 2

Ця теорема стала першим узагальненням в області топології (наука про властивості фігур, які не змінюються при любих деформаціях) тієї частини математики, що вивчає геометричні властивості фігур. Основним положенням формули теореми Л. Ейлера є введення поняття вершини і ребра багатокутника, а також положення, що топологічний характер останнього залежить не стільки від числа граней, скільки від числа точок та ліній на його поверхні. Основні положення теореми Л. Ейлера допомогла дослідникам зрозуміти структуру молекул фулеренів та вуглецевих нанокластерів.

Відомі фізики Дональд Хафман з університету Арізони та Вольфганг Кратчмер з інституту ядерної фізики ім. Макса Планка з міста Гейдельберг проводили дослідження по вивченню властивостей частинок сажі отриманих за допомогою електричної дуги між двома графітовими електродами в атмосфері гелію. Автори підтвердили наявність не тільки вже відомих спектральних ліній графіту, але ще 4 додаткових лінії в інфрачервоному діапазоні, походження яких не було залежало від графіту, зумовлено появою новою нової хімічної речовини своєрідної хімічної структури з 60 атомами вуглецю. Характеризуючи властивості фулеренів з різною кількістю атомів вуглецю, дослідники встановили, що ця структура з числом 60 є надмагічним, а молекула С60 – найбільш стабільною серед шестикутників [Kratschmer W. et al., 1990 22].

У 1986 році М. Дресульгауз і у 1987 році Г. Крото запропонували правило ізольованих п’ятикутників, згідно якого введення в гексагональну структуру п’ятикутників викликає її хімічну нестабільність. З органічної хімії відомо, що молекули з ненасиченими зв’язками, де п’ятикутники межують друг з другом, надзвичайно нестабільні. Тому висока стабільність молекули фулеренів С60 зумовлена тим, що у цих структурах п’ятикутникові грані ізольовані один від одного, а межують з тільки з шестикутниками [Kroto H., 1985; Yeh N. et al., 1988 24, 32].

Теоретично таку хімічну структуру, яка подібна на футбольний м’яч і містить 60 атомів вуглецю, хіміки-теоретики перед передбачали вже давно, але експериментального підтвердження не було отримано. Д. Хафман і В. Кратчмер провели додаткові дослідження 4 ліній ІК-спектра і отримали переконливі докази існування нової молекули з 60 атомами вуглецю [Kratschmer W. et al., 1990 22].

Р. Смолі і співав. детально описали структуру молекули фулерену С70, відповідно до якої модель має дві напівсфери С30 розділених кільцем з 10-и додаткових вуглецевих атомів. Внаслідок витягнутої, що нагадує еліпсоїд форми молекули С70, ця структура отримала назву “регбілол”. Така структура відповідає правилу ізольованих п’ятикутників, тоді як ні один із проміжних кластерів (С62, С64, С66, С68) не може бути замкнутий без сполучення п’ятикутників [Смоли Р.Е., 1996; Curl R.F.,et al., 1988 13, 19].

Згідно правила ізольованих п’ятикутників молекула фулерена С70, як менш симетрична, значно менш стабільна, ніж молекула фулерена С60. Завдяки властивостей симетрії всі атоми в молекулі С60 еквівалентні, тому у такій структурі відсутні уязвимі місця для хімічної взаємодії. У молекулі С70 ця вимога не виконується, так як ступінь симетрії такої молекули значно знижується із-за введення кільця з 10-и додаткових атомів. Тому можна стверджувати, що молекула С60 унікальна навіть в ряду фулеренів за рахунок виконання правила ізольованих п’ятикутників і максимальної степені симетрії молекули. Встановлено, що зі збільшенням атомів форма молекули фулеренів все більше відхиляється від сферичної до багатогранної. Це зумовлено тим, що, незважаючи на збільшення числа шестикутникових структур в молекулах великих фулеренів, число п’ятикутників залишається 12 [Крото Г., 1996; Kroto H.W., 1988 7, 24].

Молекули, що подібні фулеренам, є в живій природі. Фулереноподібну структуру мають деякі віруси (герпеса, поліоміеліта, імунодефіциту та ін.), морські одноклітинні мікроорганізми – радіолярії. Радіолярії – це унікальні планктонові морські організми розміром від 40 мкм до 1 мм, що будують свій скелет із солей кремнію і відрізняються побудовою свого скелету, що нагадує фулеренову структуру. Фулеренову структур мають бактеріофаги (від грецького – фагос – поглинач бактерій), який має вигляд пуголовка, головка якого має діаметр 5-140 нм, а хвіст діаметром 100-200 нм. Відкривач бактеріофагів Ф. Д'Ерелль, характеризуючи їх властивість знищувати мікроорганізми наводив поговірку: “Ворог твого ворога – твій друг”.

На поверхні фулеренів можна розмістити різні хімічні сполуки, в тому числі і лікарські засоби, з метою застосування їх для лікування різних захворювань (вірусні інфекції, злоякісні хвороби, ураження судин та ін.).

Лауреат Нобелівської премії Г. Крото у Нобелівській лекції сказав: „Оцінюючи відкриття кластера С60, неможливо замовчувати, що по формі він в точності співпадає з футбольним м’ячем, що і привело до оригінальної концепції... Сьогодні багато дослідників вивчають особливості поведінки м’яча в масштабі мікросвіту. Ще одне важливе зауваження: самою чарівністю цих молекул є притаманна їм харизма1, яка пов’язана з їх елегантно простою і надзвичайно симетричною структурою, що не нагадує ні що інше. Якраз харизма дарує захоплення та здивування всім хімікам, незалежно від віку” [Крото Г., 1996 7].

 

1Харизма з грецького – милість, дар Бога, походить від слова Харити. Згідно давньогрецької міфології Харити богині краси й радості. Вважали, що є три богині Харити: Єфросинія (радість), Талія (процвітання) і Аглая (блиск).

 

Література. Фулерени: історичні етапи відкриття

1. Бочвар Д.А., Гальперн Е.Г. О гипотетических системах: карбо.де паэдрв, s – икосаэ дране и карбо – f – икосаэдре // Доклады АН СССР. – 1973. – Т. 209. – С. 610-612.

2. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007. – 496 с.

3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктури, нанотехнологии. – 2-е изд испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 416 с.

4. Довгий С.О., Литвин В.М., Солоіденко В.Б. Лауреати Нобелівської премії. 1901–2001; Енциклопедичний довідник. – К.: Укр. видавничий центр, 2001. – 768 с.

5. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная форм и идей. – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 296 с.

6. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – Пер. с японск. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. – 134 с.

7. Крото Г. Симметрия, космос, звезды и С60 // Успехи физических наук . – 1996. – Т. 168, №3. – С. 343-358.

8. Керл Р.Ф. Истоки открытия фуллеренов: эксперимнт и гипотеза // Успехи физических наук . – 1996. – Т. 168, №3. – С. 331-342.

9. Пул Ч., мл., Оуенс Ф. Нанотехнологии. – Пер. с англ. – Москва: Техносфера, 2006. – 334 с.

10. Рит М. Наноконструирование в науке и технике. Введение в мир нанорасчета. – Пер. с анл. – Москва-Ижевск: НИЦ “Регуляторная и хаотическая динамика”, 2005. – 160 с.

11. Розенфельд Л.Г., Москаленко В.Ф., Чекман І.С., Мовчан Б.О. Нанотехнології,

наномедицина: перспективи наукових досліджень та впровадження їх

результатів у медичну практику // Український медичний часопис. – 2008. –

№5/67. – С. 63-68.

12. Сергеев Г.Б. Нанохимия. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Изд-во МГУ, 2007. – 336 с.

13. Смолли Р.Е. Открывая фуллерены // Успехи физических наук. – 1996. – Т. 168, №3. – С. 323-330.

14. Трефилов В.И. Фуллерены – основа материалов будущего. Киев: Изд-во АДЕФ – Украина, 2001. – 148 с.

15. Фейнман Р.Ф. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики // Рос. хим. ж. – 2002. – Т. XLVI, №5. – С. 406-409.

16. Фостер Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности. – Пер. с анг. – Москва: Техносфера, 2008. – 352 с.

17. Чекман І.С. Нанофармакологія: експериментально-клінічний аспект // Лікарська справа. – 2008. – №3-4. – С. 104-109.

18. Cao G., Liu D. Template-based synthesis of nanorod, nanowire and nanotube // Advances in Colloid and Interface Science. – 2008. – Vol. 136. – P. 45-64.

19. Curl R.F., Smalley R.E. Probing C60 // Science. – 1988. – V. 4881, №242. – P. 1017-1022.

20. Guldi D.M., Prato M. Excited-state properties of C60 fullerene derivatives // Acc. Chem. Res. – 2000. – 33. – P. 695-703.

21. Jensen A.W., Wilson S.R. Schuster D.I. Biological applications of fullerenes // Bioorganic & Medicinal Chemistry. – 1996. – Vol. 4, N. 6. – P. 767-779.

22. Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. Solid C60 – A new form of carbon // Nature. – 1990. – V. 347. - P. 354-355.

23. Kroto H.W., Heath J.R., OBrien S.C., Curi R.F., Smalley R.E. C60 –Bucminsterfullerene // Nature. – 1985. – V. 318. – P. 162-163.

24. Kroto H. Space, Stars, C60, and Soot // Science. – 1988. – V. 4882, №242. – P. 1139-1145.

25. Lim I-Im. S., Pan Yi., Mott D. et al. Assembly of gold nanoparticles mediated by multifunctional fullerenes // Langmuir. – 2007. – V. 23. – P. 10715-10724.

26. Lu X., Chen Z. Curved Pi-Conjugation, Aromaticity, and the Related Chemistry of Small Fullerenes (<C60) and Single-Walled Carbon Nanotubes // Chem. Rev. – 2005. – V. 105. – P. 3643-3696.

27. Medina C., Santos-Martinez M.J., Radomski A. et al. Nanoparticles: pharmacological and toxicological significance // Br. J. Pharmacol. – 2007. – Vol. 150. – P. 552–558.

28. Nakamura E., Isobe H. Functionalized fullerenes in water. The first 10 years of

their chemistry, biology and nanoscience // Accounts of chemical synthesis. – 2003. – V. 36, №11. – P. 807-815.

29. Pyrzynska A. Application of carbon sorbents for the concentration and separation of metal ions // Analytical sciences. – 2007. – V. 23. – P. 631-637.

30. Satoh M., Takayanagi I. Pharmacological Studies on Fullerene (C60), a Novel Carbon Allotrope and its Derivatives // J. Pharmacol. Sci. – 2006. – V. 100. – P. 513 – 518.

31. Scott L.T., Boorum M.M., McMahon B.J. et al. A rational chemical synthesis of C60 // Science. – 2002. – V.5559, №295. – P. 1500-1503.

32. Yeh N., Sugihara K., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Magnetic-susceptibility studies of graphite intercalation compounds // Phys. Res. B. Condens Matter. – 1988. – V. 17, №38. – P. 12615-12626.

 

4.8.2. Властивості фулеренів.

Останнім часом увагу науковців привернули нещодавно відкриті нові наноструктури: фулерени та вуглецеві нанотрубки, завдяки особливостям їх структуральних, електричних, електронних, механічних, оптичних, а також фармакологічних і токсикологічних властивостей [Трефилов В.И., 2001; Кац Е.А., 2008; Christian P., Von der Kammer F., 2008 .8, 9, 19, 29].

Як уже відмічалосся фулерени – пуста сферична або еліпсоїдна наноструктура, яка складається з 12 п’ятикутників, які у вершинах містять атоми вуглецю, і довільного числа шестикутників. Система міжатомних зв’язків в фулеренах та графіті в дуже великій мері схожі, тому їх розглядають як сферичну форму останнього. Найменший за розміром член цієї групи сполук – С20 (молекула, яка містить 20 атомів вуглецю), найбільшими представниками є C1500, C2160 та ін. [Гусев А.И., 2007; Ковтун Г.О. і співав., 2007; Lu X. et al., 2005 3, 29, 36].

 
 

Мал.1. Структура фулеренів C60 та C70

 

В природних умовах фулерени утворюються шляхом взаємодії елементів у зовнішніх шарах зірок, при падінні метеоритів на землю або в деяких умовах при звичайному використанні вогню. В лабораторних умовах фулерени можна отримати методом горіння графіту при електродуговому розпилюванні в атмосфері гелію при тиску газу 104 Па. При таких технологіях утворюється сажа, яку конденсують на холодній поверхні і потім обробляють у киплячому толуолі або бензолі, що є розчинниками фулеренів. Якщо цей розчин випарити, то отримаємо чорний конденсат, який на 10-15% складається з фулеренів С60 та С70 [Chen K.L., Elimelech M., 2006; Cao G., Liu D., 2008 15, 16].

Загальні властивості фулеренів. Геометрія та стабільність фулеренів в більшості випадків визначається так званим правилом ізольованих п’ятикутників [ПІП]. Відповідно до цього правила, п’ятикутники стабільних фулеренів оточені п’ятьма шестикутниками і, як результат, ізольовані один від одного. Тільки фулерен С60 та члени групи не менше С70 можуть задовольнити це правило. Для різних ізомерів однієї молекули, яка не відповідає ПІП, відносна стабільність обернено пропорційна до кількості суміжних п’ятикутників, тобто ізомер з найменшою кількістю суміжних п’ятикутників має більш сприятливе енергетичне становище. Цей висновок випливає з даних органічної хімії, закони якої свідчать про те, що молекули з ненасиченими зв’язками, де п’ятикутники межують друг з другом, надзвичайно нестабільні [Chen Z., King R.B., 2005; Lu X., Chen Z., 2005 18, 29]. Більше того, відношення шестикутники/п’ятикутники відображає ступінь кривизни молекули. Отже, викривлення вуглецевої поверхні малих фулеренів, в яких більше п’ятикутників, значного більша, ніж у їх великих гомологів. Це призводить до того, що у малих фулеренів набагато більше просторове навантаження (steric strain) на вуглецеву поверхню і це сприяє ще меншій стабільності маленьких гомологів ряду фулеренів.

Молекули фулерену С70, відповідно до якої модель має дві напівсфери С30 розділених кільцем з 10-и додаткових вуглецевих атомів. Внаслідок витягнутої, що нагадує еліпсоїд, форми молекули С70, ця структура отримала назву “регбілол”. Згідно правила ПІП молекула фулерена С70, як менш симетрична, значно менш стабільна, ніж молекула фулерена С60. Тому можна стверджувати, що молекула С60 унікальна навіть в ряду фулеренів за рахунок виконання правила ПІП і максимальної степені симетрії молекули. Встановлено, що зі збільшенням атомів форма молекули фулеренів все більше відхиляється від сферичної до багатогранної. Це зумовлено тим, що, незважаючи на збільшення числа шестикутникових структур в молекулах великих фулеренів, число п’ятикутників залишається незмінене.

Збільшити стабільність фулерена можна за допомогою інтеграції атомів інших сполук у його молекулу. Сферичні молекули в фулерен-кристалі тримаються між собою слабкими ван-дер-ваальсовими зв’язками. Наявність інших атомів, азоту наприклад, призводить до того, що з’являються міцні ковалентні зв’язки. В результаті цього С48N12, схожий на фулерен кристалічний матеріал, є одночасно міцним та еластичним. Для цих цілей можливо використовувати елементи бору, вуглецю, азоту, кисню, скандію, титану, ванадію, хрому, заліза, міді та інші.

За своєю природою фулерени є діелектриками, але якщо їх легувати (розмістити в середині сфери фулерена) атомами лугів, вони набувають властивостей провідників. У сполуці К3С60 атоми калію віддають електрони і отримують позитивний заряд (К+), а молекула С60 в цей час стає негативно зарядженим іоном С603-. Ці 3 електрона, отримані від К слабо зв’язані з молекулою фулерена і вільно пересуваються по ній. В результаті цього молекулу С60 доцільно використовувати як електропровідник, акумулятор електронів або в електронному реле. Експериментально дані показали, що при охолодженні такого електропровідного кристалу до 18К, робить сполуку надпровідником. Якщо легувати молекулу іншими елементами з групи лугів, то можна отримати вищу температуру переходу до надпровідності. Чим більший радіус атому домішка, тим вище стає критична температура цього переходу. Наприклад Cs2RbC60 стає надпровідником вже при 33К. При відновленні до молекули С60 можливо добавити 6 електронів, окислити С60 складніше. Зазвичай окислити можна не більше, ніж на 1-2 електрони. Експерименти показали, що чим більше додаткових функціональних груп приєднано до основної молекули, тим важче відновлювати цю молекулу фулерена [Пул Ч., Оуенс Ф., 2009; Guldi D.M., Prato M., 2000; Sun Q. et al., 2005 8, 21, 30, 39].

Фулерени є також дімагнетиками. Якщо легувати їх експериментально розробленими сполуками (тетрадиметиламіноетиленом), то фулерени набувають ферромагнетичних властивостей (сполука, яка проявляє магнітні властивості). Нескладна технологія виготовлення фулероїдів з різними властивостями застосовується у виготовленні квантоворозмірних електричних приладів з чергуючими шарами надпровідник – напівпровідник (або діелектрик), метал – ферромагнетик, суперпровідник – магнетик та ін [Guldi D.M., Prato M., 2000; Zhang J. et al., 2005 21, 42].

С60 та його похідні дуже легко переходять у активну форму при дії на молекулу УФ випромінювання та видимого світла. Це робить можливим використання фулеренів у перетворювачах сонячної енергії та батареях [Guldi D.M., Prato M., 2000 21].

Фулерени за своєю природою є неполярні молекули. С60 розчиняється в ароматичних сполуках та дисульфіді вуглецю, але майже нерозчинний у воді та алкоголі. Водорозчинні похідні фулеренів розроблені на основі приєднання детергенту Tween-20, фосфоліпідів, полівініл-піролідону, полярних бокових функціональних груп до основної вуглецевої сітки [Jensen A.W.et al., 1996; Guldi D.M., Prato M., 2000; Satoh M., Nayanagi I, 2006 21, 27, 37].

При розробці технологій отримання алмазів фулерени виявилися кращою сировиною, ніж графіт. При перетворенні останнього в алмаз потрібний атмосферний тиск – 30-50 ГПа при температурі 900 К. Фулерени можна перетворити на дорогоцінний камінь при кімнатній температурі і тиску 20 ГПа. Якщо підняти температуру до 1500 К, то 7 ГПа буде достатньо для реакції перетворення фулерену на алмаз [Гусев А.И., 2007 1].

Нанофармакологічні властивості фулеренів.Фулерени, як наночастинки, проявляють фармакологічні властивості, які дозволяють застосовувати їх в лікуванні ВІЛ/СНІДу, інших вірусних та бактеріальних захворювань, пухлин, в генній терапії, у лікуванні хвороб пов’язаних з надмірним накопиченням вільних радикалів, в рентгенологічній діагностиці.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!