Fullerene - bu nedir? Özellikleri ve fullerenler uygulamaları

karbon veya modifikasyon, fullerenin, moleküler alotropik bir şekilde - C-atomlu inşa dışbükey polyhedra kapatılır uzun bir çizgi Cı _{n (n>} 20), atomik kümeleri ve bir beşgen veya altıgen yüzlere sahip olan (burada çok nadir durumlar vardır). ikame edilmemiş fulleren Karbon atomları Böylece valens bağ teorisine göre küresel bir konjuge doymamış bir sistem oluşturulur 3 bir koordinasyon sayısı olan ^sp2 -Hybrid durumunu olma eğilimindedir.

genel açıklama

karbon termodinamik olarak en stabil altında normal şartlarda bir şekilde - grafit, neredeyse birbirlerine grafin levhalar ile bağlı olan bir yığın benzer: düz bir kafes, altıgen hücreleri, köşeler oluşturduğu - karbon atomu. Bunların her biri, üç komşu atomları ile birlikte, ve dördüncü valans elektronu bir pi-sistemi oluşturur. Yani, fulleren - resim sp ² -Hybrid devlet açıktır yani kendisini kesinlikle bu moleküler biçimidir. Biz grafin levha geometrik kusurların içinde tanıtmak ise kaçınılmaz kapalı bir yapı oluşturur. Örneğin, bu gibi kusurlar ortak altıgen karbon kimyası ile birlikte beş-elemanlı halkalar (beşgen yüzleri), tam olarak aynı vardır.

Euler teoremi biz on iki beşgen tanıtmak, köşe kapalı bir çokgen üretimi bakılmaksızın altıgen yüzlerin sayısının mümkün trohkoordinirovannymi belirtiyor. Bu nedenle, bir Fulleren minimum boyutu - resmi Cı ₂₀ iki yüzlü olup. Bununla birlikte, karbon atomu, küçük bir sayısına sahip olan yüksek, benzer yapılar kavis ve karbon düzlemsel koordinasyon tercih edildiğinden, bu nedenle, ² -Hybrid durumu çok uygun değildir sp. İşte en niçin en küçük onun saf formu elde fulleren - is C _{60 sahip} yapısı kesik düzenli ikosahedron. İçinde altıgen yüzler birbirleri tüm beşgen ayrılır. Fulleren Kimya bu gerçeğini izole beşgen kuralı arar ve bu gerçekten erişilebilir fullerenin tabidir.

formül

Gidrantirovanny Cı ₆₀ fulleren _(Cı-60 HyFn) ile temsil. İlk hidrant kapak fulleren C ₆₀ bir molekülü ve yirmi dört su moleküllerinden oluşur kalıcı hidrofilik moleküllü bir komplekstir. _{Cı-60 (H2O) 24} - Bu formülünü fulleren _olup. Bu oluşur Yirmi altıgenler ve on iki beşgenleri, dışa benzeyen bir futbol topu. Bundan başka, fulleren C tüm beşgenler izole olur ara yapılar olarak ₇₀ ek bir dizi mevcut değildir. C yana ₇₈ fulleren yapısı, her karbon iskeletinin çok stabil izomerler gözlemlemek sağlar. Teorik olarak, herhangi bir çift sayıda karbon atomu, "yüksek fulleren" orada fulleren mümkündür.

ark tarafından fulleren hazırlanması daha çok elektron ışını yöntemini ve bir helyum atmosferi içinde grafit lazer buharlaştırma ile ya da meydana gelir. Reaktörün yüzeyi üzerinde yoğunlaşır İs, benzen, toluen, ksilen ya da başka organik çözücüler geri akan muamele edilmektedir. Solüsyon siyah bir kondensat, on veya fulleren C ₇₀ ve C ₆₀ oluşan yüzde on _beş, aynı zamanda daha yüksek fulleren çok küçük miktarlarda oluşturulması, buharlaştırılır.

Farklı furellenami arasındaki oran sentez parametrelere bağlı olarak değişebilir, fakat tipik olarak Cı hakim _60, birkaç kat daha fazladır. En yüksek C _{78 arasında,} C ₇₆ ve C _84. Genel resimde tüm ürünlerin fulleren sentezinin oranında bir düşüş var. Bunun nedeni, büyük olasılıkla, olası başlangıçta buharlaştırılarak küçük kümeler büyük yapılar inşa edilmiş.

Su ihtiva eden fulleren

yoğun çalışmalar en yaygın ve maddenin bir molekülü aslında yirmi dört su molekülleri Cı _{60 vardır.} Bu fulleren molekül, her atomuna eşdeğer yüksek simetriye sahiptir. Bu küresel şekil 0,36 nm merkeze atomlu çekirdeklerden mesafe ve yaklaşık 0.5 nm çapa ile oluşturulur. Bu moleküller, yüzey merkezli kübik kafes, üç tabakalı Daha yoğun küresel paketleme olduğu bir moleküler kristal oluşturur. _{60 yüksek} sıcaklıklarda Cı sıvı fazı oluşturan olmadan inceltmekte. çok daha kötü - En iyisi böyle karbon disülfit, ve polar çözücüler ile, aromatik maddeler içinde çözünür. Uzatılmış bir elipsoidal şekil olarak ₇₀ ° C gibi daha yüksek fulleren Cı ₆₀ çok benzer fiziksel özelliklere _sahiptir.

Ve kimya alanında da çok daha cömert ve türevlerinin onların farklı sınıflarını almak için her fırsatı vermek: Metallofullerenes, heterofullerene. zengin ürünler her ekzoendralnogo (outer-) bağlantısı Aile, her bir karbon atomu, çünkü - Mevcut reaksiyon alanına. Bu fullerenler aittir. Bu yeni ürünler, halojen atomları ve hidrojen, organik radikaller, hatta döngüleri oluşabilir eğilimleri oluşturarak birleştirilir. Böylece fulleren Birleştirilmiş bileşiği ihtiva eden bir polimer malzeme elde edilmiştir. ₆₀ KC karbon iskeleti bozmadan kırk sekiz ikame katılır. Bu durumda, örneğin, F _48, C ₆₀ ile elde _edilen, ve temel fulleren burada bu gibi bileşiklerin çoğu, kullanılır.

uygulama

Neredeyse fulleren tamamen farklı alanlarda ilgileniyor. elektronik özellikler ışığında onları ve yarı iletken olarak türevlerini kabul edilebilir. UV radyasyonu emen kolayca Fullerene, yüksek elektron çekme yeteneğine sahiptirler. Bütün bu özellikler sayesinde fotovoltaik bunları uygulamak için yapmak, fotoelektrik sensörler, çeşitli moleküler elektronik güneş enerjili cihazlar. Fullereneler fotodinamik tedavi ve m maddeler olarak, antiviral ve antimikrobiyal maddeler olarak tıpta kullanılmaktadır. S.

Modern teknolojiler daha fulleren, tedavileri için de çalışma yöntemleri daha iyi ve daha verimli almak için birimlerin toplam sayısını artırmak için nispeten hızlı bir şekilde izin vermiş. örneğin maliyeti, C ₆₀ son on ve (gram başına 1015 dolar için on bin ile) bir buçuk yılda önemli oranda azaldı nedeni budur. Şimdi gerçek endüstriyel uygulamalar ve fullerenler için kişiye düşecek bir durumla karşı karşıyayız. Bunların kullanımı büyüyen ve her geçen gün büyüyor.

açılması hakkında bilgi için

Onların yapının temelinde jeodezik yapıyı icat ünlü mimar ve mühendis Richarda Bakminstera Fullera, adını Fullerene. İlk başta, bu bileşik sınıfı, sadece altı ve beşgen yüzleri dahil yapısı ile sınırlıdır. Eğer karbon atomu bulunan diğer kimyasal elementler ve bunlar karbon çerçevesi içinde yer alır ek olarak fulleren molekülü bileşimi, bu endohedral fulleren adı. Diğer atomlar fulleren dışında ise exohedrally elde edilir. İsimleri, bu moleküler hali çok uzun zaman önce değildi - 1985 yılında, bir grup araştırmacı fullerenin beklenmedik keşif yaptı zaman. Küçük, Kroto, Curl ve diğer kimyacılar çalışılmış grafit çiftleri hangi elde edilen lazer ablasyon (ışınlama) katı. tepe altmış yetmiş karbon atomlu kümelerine karşılık gelen bir maksimum genliği vardı bulunmuştur.

Bu yüzden molekülü C ₆₀ ve C _70, hem de ilk molekül kesik İkosahedronun şeklinde inşa edilmiş olan hipotezini hesapladı. Sadece fullerenler - En yaygın C ₆₀ adlı bakminsterfullerenom ve molekülün geri kalanı.

Bilim adamları-kimyagerler de mimaride usta ve böylece binalar üzerinde kubbe inşa Fuller, hatırlandığı - beşgen, altıgen cloven, o fullerenler kesinlikle tüm moleküler iskeletlerin yapısının temelidir. büyüleyici bir hikaye değil, ilginç bir geçmişi olmayan - Ancak, bu. Biraz önce de Japonya (1971) 'de yazılmıştır bu moleküllerin varlığını ve teorik olarak olasılığı üzerinde elde edilmiş ve SSCB (1973)' de yayınlanmıştır. Bununla birlikte, Kroto, Curl ve Küçük alınan kimyada Nobel Ödülü.

Doğa ve teknoloji

Yapay sentez ile mümkün olan en saf biçimde fullerenesden elde edilmesi. Bu bileşikler yoğun onların oluşum meydana koşulları ayarlayarak, farklı ülkelerde çalışılan devam ve fulleren yapısını ve özelliklerini kabul edilir. Giderek uygulama alanını büyüyor. Bu fulleren önemli bir miktarda bir ark deşarjı grafit elektrotlar üzerinde oluşturulur is, içerdiği bulunmuştur. Daha önce bu gerçeği basitçe daha gören olmadı.

fulleren laboratuvar koşullarında, karbon moleküllerinin altında üretilmektedir ve başladı edildiğinde doğada tespit edilmesi. furulgitah içinde - Karelia'da, biz Şungitler numuneler, Hindistan ve Amerika Birleşik Devletleri'nde içinde buldum. 65000000 yıldan daha az olmayan dipte meteoritlerde ve tortular da çok ve sık karbon molekülleri. Yeryüzü saf fulleren yıldırım ve doğal gazın yakılması oluşturulabilir. Akdeniz'de devralan Hava örnekleri 2011 yılında çalışılmıştır ve tüm numunelerin alındığı tespit edilmiştir - İstanbul'dan Barselona'ya - fulleren yoktur. Maddenin fiziksel özellikleri spontan oluşumuna neden olur. Ayrıca bunun büyük miktarlarda uzayda bulunurlar - ve gaz halinde ve katı halde.

sentez

fulleren izolasyonu ilk deneyler katı grafit örneklerinin lazer ışınlaması irradyasyonu ile elde edilmiştir grafit, yoğunlaştırılmış buharlar yoluyla meydana geldi. fullerenler yalnızca eser başardı. Sadece kimyagerler tarafından 1990 yılında Huffman, Kuzu ve Kretschmer gram miktarlarda fullerenler üretimi yeni bir yöntem geliştirdi. Bu helyum atmosferinde ve düşük basınç altında bir elektrik arkı grafit elektrotlar yanma oluşuyordu. anodun erozyon ve bölme duvarları ihtiva fullerenesden kurum ortaya çıktı.

Bundan başka, kurum tolüen veya benzen içerisinde çözülür ve elde edilen çözelti, saf molekülleri Cı ₇₀ ve C ₆₀ gram _durdu. Oran - 1: 3 arasındadır. Buna ek olarak, çözelti, iki yüzde ve ağır fulleren yüksek dereceli oluşuyordu. Şimdi öyleydi kolay: Seç optimum parametreler için bir buharlaştırma - kompozisyon atmosfer, basınç, elektrot çapı, akım ve benzerleri, hiç başarmak maksimum verim arasında fulerenler. Bu anot gerçek içeriğinin yaklaşık yüzde on iki edildi. bu kadar pahalı fulleren olmasının nedeni budur.

üretim

ilk başta deneysel bilim adamlarına tüm girişimleri boşuna idi: üreten fullerenler üretken ve daha ucuz yöntemlerdir. Ne hidrokarbonlar veya kimyasal sentez yanan alev başarısız oldu. elektrik ark yöntemi, en verimli geçti saatte fullerenler yaklaşık bir gram almanızı sağlar etmiştir. Şirket Mitsubishi hidrokarbon yanmasının imal etmek için bir yöntem geliştirmiştir, ancak saf fulleren değildir - bu oksijen molekülleri içerir. Ve ark süreçleri görünümünde bir termodinamik açıdan son derece kararsızdır, çünkü şimdiye kadar, bu maddenin oluşum mekanizması belirsizliğini koruyor ve çok kuvvetli olduğu teorinin dikkate engeller. Bireysel fulleren karbon atomuna toplayarak sadece reddedilemez bir kanıt, yani _Cı-2 fragmanları. Ancak, bu maddenin oluşumu net görüntü oluşmuş edilmemiştir.

yanmış zaman fullerenler yüksek maliyeti düşük verim sadece belirlenir. İzolasyon, saflaştırma, is farklı kütlelerinin fulleren ayrılması - bütün bu işlemler oldukça karmaşıktır. Özellikle, sıvı kolon kromatografisi ve yüksek basınç ile tutulan ayrı bir moleküler parçalar, halinde ayrılması ile ilgilidir. Çözücü kalıntısı son aşamasında zaten katı Fulleren kaldırılır. Bunu yapmak için, numune en fazla iki yüz elli derecelik bir sıcaklıkta dinamik vakum altında tutulur. inanılmaz derecede popüler oldu fullerenler kimyasını, - Ama avantajı makroskopik miktarlarda aldığınız fulleren C ₆₀ geliştirilmesi sırasında ve zaten organik kimya bağımsız şube büyümüş olmasıdır.

fayda

Fullerene türevleri teknolojinin çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Folyolar ve fulleren kristaller - optik ışıma altında yarı iletken olan fotoiletkenlik. Kristaller C _60, alkalik metallerin katkılı atomuna üstüniletkenlik bir duruma geçiş. fulleren çözeltileri olmayan optik özelliklere sahip olan ve bu nedenle yoğun radyasyon koruma için gerekli olan optik panjur esas olarak da kullanılabilir. Ayrıca fulleren kullanılan bir katalizör için elmas sentezi. Fullereneler yaygın biyoloji ve tıp alanında kullanılmaktadır. , Membranotropnyh lipofilik elektronodefitsit tanımlayan serbest radikallerin yanısıra oksijen moleküllerini aktarmak için yeteneği ile etkileşim yeteneği veren genellikle kendi uyarılmış durum ve tekli oksijen dönüştürmek: Bu moleküllerin üç özelliklerini kullanır.

nükleik asitler, proteinler, lipidler: Bu gibi reaktif maddeler biyo-molekülleri saldırır. Reaktif oksijen türleri, kanser tedavisi için fotodinamik terapide kullanılmaktadır. bunun aslında fullerenesden veya türevleri - hastanın kan reaktif oksijen türlerini üreten, ışığa sokulur. tümör kan akışı sağlıklı dokularda daha zayıf olduğu ve ışığa içinde birikir, ve bu nedenle molekülün ışınlama yönünde sonra reaktif oksijen türlerinin üretilmesi ile tahrik edilmektedir. Kanser hücreleri apoptozu yaşandığı ve tümör yok edilir. Buna ek olarak - fulleren antioksidan özellikleri ve tuzak reaktif oksijen türleri vardır.

Fullerene HIV integraz etkisine, konformasyonunu değiştirme ve ana işlevi yıkım onu mahrum ederek onunla etkileşerek DNA'ya virüsün katılımından sorumlu bir protein düşürür. Bazı ait fulleren türevleri etkileşim doğrudan DNA ve engelleme aksiyon restiktaz.

tıp hakkında daha fazla

2007 yılında, suda çözünen fulleren onlara olarak antialerjik maddeler yemek için kullanılmaya başlanmıştır. C60 (net), x ve C60 (OH) x-- çalışmalar Fulleren türevlerine maruz kalan insan hücreleri ve kan, üzerinde gerçekleştirilmiştir. fareler - - organizmalar yaşamaya deneylerde sonuçlar olumlu.

fullerenesden içeren su (geri arama hidrofobisite Cı _60), hücre zarı, çok kolay nüfuz ettiğinden Zaten, bir madde ve bir ilaç iletim vektörü olarak kullanılmıştır. Için örnek eritropoietin - bir hormon böbrekler, girilen doğrudan içine kan içinde çok sayıda is bozulmuş ve ne zaman kullanılan birlikte fulerenler konsantrasyonu artar iki kattan fazla, çünkü onu alır içine hücresi.