Фуллерены: сферические молекулы углерода и их роль в современных нанотехнологиях

Фуллерены

Фуллерены — это недавно открытая форма углерода, отличная от известных ранее графита и алмаза. Наиболее распространенным среди фуллеренов является фуллерен С60, который представляет из себя молекулу из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверхность, составленную из правильных шести- и пятиугольников, — молекулярный аналог европейского футбольного мяча. С уникальностью строения фуллеренов связаны и их уникальные физические и химические свойства. В настоящее время известно несколько тысяч патентов на применение фуллеренов в различных областях человеческой деятельности от сверхпроводимости до лекарств.

Фуллерены - аллотропные молекулярные формы углерода, в к-рых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Такие молекулы могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т. д. атомов С.
Главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность. Они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На их основе возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Фуллерены могут быть использованы как “нанокирпичики” для конструирования материалов с заданными параметрами.
Перечень основных областей применения фуллеренов:
Новые классы сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектриков, нелинейных оптических материалов.
Новые фуллереновые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости.
Новые классы полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими, магнитными свойствами для записи и хранения информации.
Новые типы катализаторов и сенсоров для определения состава жидких и газовых сред.
Новые классы антифрикционных покрытий и смазок, в том числе, на основе фторсодержащих соединений фуллеренов.
Новые виды топлив и добавок к топливам.
Капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов.
Новые классы соединений для фармакологии и медицины, в том числе, противовирусные и нейротропные препараты, сорбенты для гемосорбции.

Фуллерены - это "химически стабильные замкнутые поверхностные структуры углерода, в которых атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников или пятиугольников, регулярным образом покрывающих поверхность сферы или сфероида". Впервые фуллерены были получены и выделены в середине 1980-х гг. коллективов ученых из Сассекского университета Г. Брайтон, Великобритания) и университета Райса (г. Хьюстон, США).Сегодня в мире стремительно развиваются исследования новой и необычной, так называемой аллотропной, формы углеродов - фуллеренов. Фуллерены - класс углеродных молекул, содержащих более 20 атомов. Фуллерены применяются в сверхпроводящих материалах, сенсорах, солнечных батареях, логических и запоминающих элементах и т.д. Фуллерены были сначала предсказаны теоретически, потом с помощью спектрального анализа найдены в атмосферах красных углеродных звезд. После этого они были получены искусственно - с помощью дугового разряда в специальной газовой смеси. И только после этого фуллерены были найдены на Земле - и только в составе шунгита.
Первые 60-атомные фуллереновые молекулы были созданы в 1985 году. Грани 60-атомного фуллерена - это 20 почти идеальных правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. Позднее удалось получить фуллерены из 76, 78, 84, 90 и даже из нескольких сотен атомов углерода. Открытие фуллеренов относится к важнейшим научным открытиям конца ХХ в. (удостоено Нобелевской премии по химии за 1996 г.), определяющую роль в котором сыграли фундаментальные исследования кластеров и которое обладает широким спектром приложений.

История открытия

В 1985 году группа исследователей — Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли, Хис и О’Брайен — исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам состоящими из 60 и 70 атомов углерода^[2]. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С₆₀ и С₇₀ и выдвинули гипотезу, что молекула С₆₀ имеет форму усечённого икосаэдра симметрии I_h. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространённая молекула С₆₀ — бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии^[3] и теоретически обоснована в 1973 году в СССР^[4]. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Кёрлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии^[5]. Единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент (Октябрь 2007) является их искусственный синтез. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах — их раньше просто не замечали

Красные шарики – атомы углерода. Cвязи помечены жёлтым.

Так что же такое фуллерен?

Определение простое: фуллерен – это футбольный мяч, пустой внутри.

Представим себе полый внутри футбольный мяч, поверхность которого состоит лишь из пятиугольников и шестиугольников . Все эти многоугольники, образующие поверхность футбольного мяча, имеют вершины (на рис. они помечены синими кружочками). Внутри многоугольники пусты.

Фуллерен - футбольный мяч.

Синие кружки - это вершины.

Другие виды фуллеренов.

.

Фуллерен или C60 — лекарство будущего?!

Человек должен защищать свой дом от дождя и холода; свой сад от вредителей; воздух от выхлопных газов; воду от примесей, попадающих от вредных производств, то есть, человек, живя в окружающей его среде, должен защищать среду его обитания от творения рук своих, от «себя самого».

Кто же спасёт человека? Красота?

По мнению ученых, есть некий её вид, который может облегчить наше существование.

Это красота многоатомных молекул углерода, получивших название «фуллерены».

Фуллерены – это необычные молекулы, напоминающие по форме футбольный мяч. Как и мяч, они полые внутри и их даже хотели назвать «футболены», но поиграть в футбол фуллереном невозможно, так как его размер – 1 нанометр, то есть одна миллиардная часть метра.

Фуллерены – четвёртая, ранее неизвестная, модификация углерода (первые три – это графит, алмаз, карбон). Она была открыта в 1985 году, причем совершенно случайно. Английский химик и астрофизик Харолд Крото, изучая межзвёздную пыль, заинтересовался имевшимися там углеродными частицами. Испытывая трудности в их анализе, он обратился за помощью к американским коллегам Роберту Керлу и Ричарду Смолли, которые занимались испарением веществ с помощью лазера. Все трое с энтузиазмом взялись за дело. Испаряя графит для получения искомых частиц, они с удивлением обнаружили в остатках неизвестные молекулы углерода, похожие на футбольный мяч. Харолду Крото, инициатору свей этой истории, оболочка новой молекулы напомнила знаменитое произведение американского архитектора Р.Б.Фуллера – геодезический купол американского павильона на всемирной выставке ЭКСПО-67. Крото и предложил назвать новые частицы в честь Фуллера. Так появилось слово «фуллерены».

Исследователи сразу же послали сообщение о своём открытии в журнал «Nature».

Открытие новых молекул вызвало невероятный интерес к их дальнейшим исследованиям. Разразился «фуллереновый бум», который привёл к созданию нанотехнологий, а с их помощью – к разработке невиданных ранее материалов и соединений, предназначенных для разных областей науки, техники, медицины и фармакологии.

В 1996 году Р.Керл, Х.Крото, Р.Смолли за открытие фуллеренов получили Нобелевскую премию в области химии. Фуллерены произвели настоящую революцию! И, хотя пока её результаты заметны только в науке и технике, не за горами переворот и в медицине.

Революция заключается в качественном скачке от микро…, миллионной части метра, к нано…, его миллиардной части. Перед нами открываются перспективы получения новых веществ с помощью нанотехнологий и, конечно же, появление наномедицины («нано» в переводе означает «карлик»). Возможно, слово «наномедицина» ещё не встретишь в словарях, но эта отрасль уже заявила право на существование.

Маленькое, но точное:

Рассмотрим свойства фуллеренов с точки зрения применения в медицине.

Одно из самых замечательных свойств этих веществ – то, что они способны создавать водные растворы. Встроив самый устойчивый из фуллеренов (он называется С60) в молекулу воды, учёным удалось создать водную среду, очень похожую на среду в здоровых клетках организма. Вода со встроенным фуллереном нейтрализует свободные радикалы, то есть является антиоксидантом. Свободные радикалы – причина возникновения множества болезней. Эти молекулы, образующиеся в нашем организме, повреждают хромосомы и приводят к старению клеток, раковым заболеваниям, снижению иммунитета. Им противостоят антиоксиданты – полезные вещества, которые соединяются со свободными радикалами и предотвращают их разрушительное действие.

Обычные антиоксиданты – вещества штучные, одноразового действия. Скажем, молекула витамина, соединяясь со свободным радикалом, образует безвредное соединение и выбывает из игры. На один радикал одна молекула? Не густо! А фуллереновый мячик – долгоиграющий: он остаётся в игре всё время, обладая магическим свойством притягивать к себе свободные радикалы. Кроме этого, такие «прилипшие» радикалы соединяются между собой и образуют безвредные вещества. Благодаря присутствию фуллерена этот процесс невероятно ускоряется, и тогда злосчастные радикалы массами выбывают из игры. Фуллереновые растворы во много раз эффективнее обычных антиоксидантов. Между тем исследователи говорят, что фуллерен – не лекарство в обычном смысле слова, так как лекарство способствует лечению определённой болезни, а растворы фуллерена действуют гораздо шире, в объёме всего организма.

Медицина с приставкой «нано»

Возможности этих наношариков поистине неисчерпаемы и не ограничиваются борьбой только со свободными радикалами. Фуллерены способны создавать целые комплекты биоактивных соединений. Заполнив полость фуллерена целительным веществом, можно этот шарик, как в лузу, загнать в необходимую точку. Такие фуллерены, шутливо названные фаршированными, могут быть использованы для доставки антибиотиков, витаминов и гормонов к больным клеткам. Особенно упорно ведутся работы по созданию фуллереновых препаратов для лечения болезней мозга. Впервые в мире фуллереновый антиоксидант для лечения повреждённых мозговых клеток синтезировали в Тель-Авивском университете. Его применение дало положительные результаты в экспериментах пока с животными. Предполагаются дальнейшие разработки этой методики для лечения рассеянного склероза и болезни Альцгеймера. Проводятся эксперименты с фуллеренами для доставки лекарств через кожу без применения уколов. Разрабатываются методы разрушения всемогущими фуллеренами геномов вирусов, проникающих в живую клетку. Перспективны работы по применению фуллеренов в качестве противоядия. Продолжать можно долго… Во всём мире ведутся исследования фуллереновых препаратов против раковых заболеваний и результаты вселяют надежду!

Жаль, что до окончательного триумфа живительных наношариков, не дожил один из их первооткрывателей – Ричард Смолли. Он скончался в 2005 году.

Исследования целительных углеродных образований продолжаются, хотя пока не вышли за пределы лабораторий.

Аспидный камень и фуллерены:

Выдающиеся открытия поначалу часто обрастают легендами, и кажется, будто они могут творить чудеса.

В России «фуллереновая лихорадка» началась в конце 90-х годов прошлого века. Она была связана с углеродистой сланцевой породой — шунгитом, залежи которого обнаружены в Карелии.

По одной из версий, советский геолог С.Ципурский, узнав об открытии фуллеренов, передал шунгит, который привёз из Карелии, для исследования в лабораторию Аризонского университета в Америке. О результатах этого исследования, проведённого с участием самого Ципурского, была опубликована статья в научном журнале в 1992 году. В ней говорилось, что в шунгите действительно обнаружено незначительное содержание фуллеренов. Это стало сенсацией, вызвавшей дальнейшее исследование шунгита в лечебных целях.

Впрочем, о целебных свойствах шунгита издавна ходили легенды. Этот сланец зловещего чёрного цвета в старину звался аспидным камнем. Потом он получил название «шунгит» — от карельской деревни Шуньга, где через залежи этой породы пробивался ключ с целебной водой. Местные старики говорили, шунгит от ста болячек исцелит. По преданию, здесь излечилась от многочисленных хворей боярыня Ксения Романова, сосланная в эти края Борисом Годуновым. Это была мать первого русского царя Михаила Фёдоровича. В память о ней чудодейственный источник был назван «Царевич ключ». Однако, после освобождения Ксении о нём забыли. Ксения Романова была прабабкой Петра первого и, вероятно, до него дошли семейные предания о целебных свойствах аспидного камня. Возможно, камень обладал к тому же и антисептическими свойствами. Так или иначе, но есть сведения, что Пётр повелел держать в солдатских ранцах аспидный камень и опускать его в котелки с водой, «дабы сохранить крепость живота своего». «Крепость живота» явно не смогли сохранить солдаты шведской армии, потерпевшие поражения в Полтавской битве: жарким летом 1709 года их изрядно потрепала разразившаяся тогда эпидемия дизентерии.

Шунгитовые породы применяются в строительстве и металлургии, а в последнее время шунгит с успехом используется в фильтрах для очистки воды.

Шунгит, содержащий богатый букет минеральных солей, действительно уникальное лечебное средство, но, причём тут фуллерены, целительные свойства которых ещё не ясны до конца и не проверены на практике? Да и есть ли они в шунгите?

В 2003 году, то есть через десять лет после первой сенсационной публикации, в журнале Американского геологического общества вышла статья, которая сообщала, что тщательные проверки не подтвердили наличия фуллеренов в шунгите. Кроме того, даже если бы они там были, целительный эффект создавал бы не сам камень, а его водный раствор.

Органическая электроника:

Учёные Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology) в результате проведённых исследований, создали матрицу быстродействующих полевых транзисторов на основе фуллеренов С60.

Профессор Bernard Kippelen отметил, что органические полупроводники – абсолютно новый, современный и очень перспективный материал в наноэлектронике.

Область применения органической наноэлектроники огромна: от дисплеев и активных электронных бигбордов, до RFID-меток и гибких компьютеров.

Нанокосметика: клетки красоты:

Нанотехнологии ещё только изучаются, но уже появилась целая линия косметических товаров, использующих замечательные свойства фуллеренов. На упаковках таких средств обычно пишут: «содержит фуллерены» или «содержит С60» (это самая устойчивая молекула из этой группы). Производители утверждают, что кремы с фуллеренами ощутимо улучшают состояние зрелой кожи, замедляют процесс старения, поддерживают упругость и свежесть лица.

В заключении:

Наномедицина совершенно новое направление в борьбе с болезнями. И, несмотря на то, что её идеи и проекты находятся ещё на стадии лабораторных исследований, нет сомнений, что наномедицине принадлежит будущее.

Молекулы фуллеренов могут содержать от 20 до 540 углеродных атомов, расположенных на сферической поверхности. Наиболее устойчивое и лучше изученное из этих соединений - C₆₀-фуллерен (60 атомов углерода) состоит из 20 шестичленных и 12 пятичленных циклов.

Все атомы углерода в молекуле C₆₀-фуллерена находятся в sp²-гибридном состоянии и связаны с тремя другими атомами углерода. Негибридизованные p-орбитали углеродных атомов располагаются перпендикулярно сферической поверхности, образуя π-электронное облако снаружи и внутри сферы.

Углеродный скелет молекулы C₆₀-фуллерена представляет собой усечённый икосаэдр.

Икосаэдр (от греч. eikosi - двадцать,hedra - грань) - правильный многогранник, имеющий 20 граней (в виде равносторонних треугольников), 30 ребер, 12 вершин (в каждой сходится 5 ребер).
Усечённый икосаэдр образован отсечением вершин икосаэдра и cостоит из 32 граней, из которых 12 - правильные пятиугольники и 20 - правильные шестиугольники. Данный многогранник имеет 60 вершин, в каждой из которых сходится 3 ребра. По форме этот многогранник похож на футбольный мяч.

Икосаэдр Усечённый икосаэдр

Фуллерен – материал будующего!

Фуллерен добываю в современных условиях путем химического синтеза. В природе его можно встретить в местах извержения вулканов, в месте, куда ударила молния, упал метеорит. В породе у него содержится “Шунгит”, это экологически чистый природный материал. Относительно этого были разные гипотезы, что фуллерен обладает рядом токсических свойств, позже ученые доказали что ядовитыми являются только химические соединения с участием фуллерена. Также для ученых представляет огромный интерес вакуум внутри одного из самой интересной молекулы.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/13748-fullereny