Fullerene - ni kitu gani? Mali na maombi ya fullerenes

Masi allotropic mfumo wa carbon au muundo wake, fullerene, - kwa muda mrefu mstari C _{n (n>} 20) makundi ya atomiki, ambayo ni imefungwa mbonyeo polihedra kujengwa ya atomi kaboni na kuwa pentagonal au hexagonal nyuso (hapa kuna ni nadra sana isipokuwa). Carbon atomu katika fullerenes unsubstituted huwa sp ² hali -Hybrid na uratibu idadi ya 3. Hivyo inaundwa mviringo conjugate unsaturated mfumo kwa mujibu wa nadharia Valence dhamana.

maelezo ya jumla

zaidi thermodynamically imara chini ya kawaida hali ya mfumo wa carbon - grafiti, ambayo inaonekana kama stack vigumu kushikamana na kila nyingine karatasi graphene: gorofa kimiani, yenye seli hexagonal, ambapo vipeo - carbon atomi. Kila mmoja wao ni kuhusishwa na atomi tatu jirani na ya nne Valence elektroni aina pi-mfumo. Kwa hiyo, fullerene - ni usahihi fomu hii ya molekiuli yaani picha sp ² -Hybrid hali ni dhahiri. Kama sisi kuanzisha katika graphene karatasi kasoro kijiometri kuepukika aina ya muundo imefungwa. Kwa mfano, kasoro kama hiyo ni tano membered pete (pentagonal nyuso), sawa, pamoja na kawaida hexagonal kaboni kemia.

theorem Euler inasema kwamba uzalishaji wa polihedron imefungwa na vipeo trohkoordinirovannymi inawezekana kama sisi kuanzisha pentagoni kumi na mbili, bila kujali idadi ya nyuso hexagonal. Kwa hiyo, ukubwa wa chini ya fullerene - ni rasmi C ₂₀ dodecahedron. Hata hivyo curvature miundo kama hiyo, baada ya idadi ndogo ya atomi kaboni ni ya juu, na hivyo sp ² -Hybrid hali si nzuri sana, kwa kuwa carbon anapendelea planar uratibu. Ndio maana ndogo katika halisi yake kupatikana fullerene - ni C _60, baada ya muundo wa truncated icosahedron mara. Ndani yake nyuso hexagonal ni kutengwa na kila mmoja pentagonal wote. Fullerene Chemistry wito ukweli huu wametengwa pembetano sheria, na ni chini ya fullerene kweli kupatikana.

formula

Gidrantirovanny imeonyeshwa C ₆₀ fullerene (C ₆₀ HyFn). Hii muda mrefu hydrophilic supramolecular tata, ambayo ina molekuli moja ya fullerene C ₆₀ katika hydrant kwanza shell na ishirini na nne molekuli ya maji. Hii ni fullerene ambao formula - C ₆₀ (H ₂ O) _24. Lina hexagons ishirini na pentagoni kumi na mbili, kwa nje unaofanana mpira wa soka. Zaidi ya hayo, idadi ya fullerene C ₇₀ virutubisho kama miundo kati, ambayo ingekuwa pentagoni wote ni la kipekee, haipo. Tangu C ₇₈ fullerene muundo inaruhusu kuchunguza isoma kadhaa imara wa kila kiunzi kaboni. Kinadharia inawezekana kwamba kuna fullerenes na atomi kaboni hata idadi yoyote, "fullerenes ya juu".

maandalizi ya fullerenes na safu hutokea mara nyingi zaidi au elektroni-boriti mbinu na kwa laser uvukizi wa grafiti katika anga heli. Masizi, ambayo hutonesha juu ya uso wa mtambo huo, ni kutibiwa katika refluxing benzini, toluini, zilini au chukuzi kikaboni. ufumbuzi ni evaporated, na kutengeneza condensate nyeusi, kumi kumi na tano asilimia yenye C ₇₀ na C ₆₀ fullerenes pamoja na kiasi kidogo sana cha fullerenes juu.

uwiano kati ya furellenami mbalimbali zinaweza kutofautiana, kutegemea vigezo awali, lakini kwa kawaida ₆₀ C ipo, ni mara kadhaa zaidi. Miongoni mwa wengi C ya juu _78, C ₇₆ na C _84. Katika picha ya jumla kuna kushuka kwa uwiano wa fullerene awali ya bidhaa zote. Hii ni kutokana, uwezekano mkubwa, pamoja na uwezekano mdogo wa kukusanyika miundo kubwa ya makundi madogo ya awali evaporated.

Maji yenye fullerenes

kawaida na inayochunguzwa ni C _60, ambapo molekuli moja ya dutu kweli kuwa molekuli ya maji ishirini na nne. Hii molekuli fullerene ina ulinganifu wa juu, ambapo atomi yote ni sawa. hali yake ya mviringo ni umbali kutoka katikati ya viini atomia kwa karibu 0.36 nm na Radius ya 0.5 nm. Huwa kioo Masi ambao molekuli ni uso-unaozingatia ujazo kimiani, tatu-safu densest mviringo kufunga. Katika joto la juu, ₆₀ C hujisablimisha bila kutengeneza awamu kioevu. Juu ya yote ni kufutwa katika dutu kunukia ya aina ya vimumunyisho disulfidi kaboni, na polar - mbaya zaidi. elongated ellipsoidal sura ₇₀ C, pamoja na fullerenes juu ina tabia ya kimwili sawa na C _60.

Na katika uwanja wa kemia wao ni zaidi ya ukarimu na kutoa kila nafasi ya kupata madarasa yao mbalimbali ya derivat: Metallofullerenes, heterofullerene. Family ya bidhaa tajiri ekzoendralnogo zote (outer-) uhusiano, kwa sababu kila chembe kaboni - inapatikana majibu tovuti. Hizi ni tabia za fullerenes. Wao ni alijiunga na kujenga bidhaa mpya, chembe halogen na hidrojeni, hai radicals, uhusiano hata mzunguko yanaweza kutokea. Hivyo kupatikana vifaa polymer zenye fullerenes changamani kiwanja. ₆₀ K C anajiunga na substituents arobaini na nane bila kuharibu carbon mifupa. Hivyo, kwa mfano, kupatikana kwa C ₆₀ F _48, na wengi misombo kama hizo itatumika, ambapo msingi ni fullerenes.

maombi

Karibu fullerenes nia ya maeneo mbalimbali kabisa. Kwa mtazamo wa mali zao za elektroniki inaweza kuchukuliwa yao na derivat yao kama halvledare. Fullerenes urahisi kunyonya UV mionzi, wana high elektroni-kujiondoa uwezo. mali hizi zote kufanya hivyo inawezekana kwa kuyatumia katika photovoltaic, sensorer photoelectric, kinachotumia nishati ya jua vifaa ya umeme mbalimbali ya molekuli. Fullerenes ni itatumika katika dawa kama mawakala antiviral na antimicrobial, kama mawakala katika tiba ya nguvu za mwanga na m. P.

Teknolojia ya kisasa na kuruhusiwa kiasi haraka kuongeza idadi ya vitengo ya kupata fullerenes zaidi pia ni bora zaidi na ufanisi zaidi njia ya kufanya kazi kwa ajili ya matibabu yao. Hii ndiyo sababu gharama ya, kwa mfano, C ₆₀ imekataa kikubwa zaidi ya miaka kumi iliyopita na nusu (na elfu kumi hadi dola kumi kumi na tano kwa gramu). Sasa sisi ni wanakabiliwa na hali ambapo kwa programu halisi ya viwanda na fullerenes kuanguka hadi mwingine. Matumizi yao ni kuongezeka na kuongezeka kila siku.

Kwa taarifa kuhusu ufunguzi

Fullerenes jina lake baada ya mbunifu maarufu na mhandisi Richarda Bakminstera Fullera, ambaye kwa misingi ya muundo wao zuliwa mfumo geodesic. Mara ya kwanza, darasa hili ya misombo ni mdogo kwa muundo, ambayo ni pamoja na tu sita na pentagonal nyuso. Kama muundo wa fullerene molekuli pamoja na atomi kaboni ni sasa kemikali mbalimbali mambo, na wao ziko ndani ya carbon mifupa, wale walioitwa fullerenes endohedral. Kama atomi ya mambo mengine ziko nje fullerenes ni kupatikana exohedrally. majina yao, aina hii ya molekuli hakuwa sana kwa muda mrefu iliyopita - mwaka 1985, wakati kundi la watafiti alifanya ugunduzi ghafla cha fullerene. Ndogo, Kroto, Curl na nyingine wanakemia alisoma grafiti jozi ambayo zilipatikana kwa laser ablation (mnururisho) kigumu. peaks walikuwa kupatikana ambayo ilikuwa na amplitude maximal sambamba na makundi ya sitini na sabini atomi kaboni.

Hivyo sisi mahesabu ya molekuli C ₆₀ na C _70, ikiwa ni pamoja na nadharia tete kuwa molekuli ya kwanza ni kujengwa katika sura ya icosahedron truncated. Ni kawaida C ₆₀ aitwaye bakminsterfullerenom na wengine molekuli - fullerenes tu.

Wanasayansi-wanakemia ni mjuzi katika usanifu na alikumbuka Fuller, aliyejenga kuba juu ya majengo hivyo - pentagoni, hexagons ukwato, ambayo ni msingi wa muundo wa mifupa wa molekuli ya kabisa wote wa fullerenes. Hata hivyo, hii - hadithi ya kuvutia, na si bila historia ya kuvutia. Juu ya uwezekano wa kuwepo kwa molekuli kama kiasi fulani hapo awali ilikuwa imeandikwa katika Japan (1971), na msingi wa nadharia mara kupatikana na kuchapishwa katika USSR (1973). Hata hivyo, Kroto, Curl na Small kupokea Tuzo ya Nobel ya kemia.

Nature na teknolojia

Maandalizi ya fullerene safi inawezekana kwa awali bandia. Michanganyiko hii wanaendelea hutafitiwa kwa kina katika nchi tofauti, kuweka mazingira ambayo malezi yao hutokea, na ni kuchukuliwa fullerene muundo na sifa zao. uwanja inazidi kuongezeka maombi. Ilibainika kuwa kiasi kikubwa cha fullerenes zilizomo katika masizi, ambayo ni sumu juu electrodes grafiti katika safu usaha. Mapema ukweli huu kamwe tu kuonekana tena.

Wakati fullerenes zilitolewa katika hali ya maabara, molekuli carbon na kuanza kuwa wanaona katika asili. Katika Karelen, tuligundua yao katika shungites sampuli, India na Marekani - katika furulgitah. Pia wengi na mara kwa mara molekuli kaboni katika meteorites na mchanga chini, ambayo ni ya si chini ya miaka sitini na mitano milioni. Duniani fullerenes safi inaweza kufanyika kutoka umeme na mwako wa gesi asilia. sampuli Air yamechukuliwa Mediterranean, kuwa alisoma katika 2011, na ilibainika kuwa sampuli zote zilizochukuliwa - kutoka Istanbul Barcelona - kuna fullerene. tabia za kimaumbile ya dutu kusababisha malezi ghafla. Pia kiasi kikubwa yake hupatikana katika nafasi - na katika hali ya gesi, na kwa namna ngumu.

awali

majaribio ya kwanza ya kutengwa wa fullerenes ilitokea kwa njia ya mvuke kubanwa ya grafiti, ambayo ilikuwa kupatikana kwa umeme wa umeme laser ya sampuli imara grafiti. Imeweza kupata athari tu ya fullerenes. Tu mwaka 1990 na wanakemia Huffman, Lamb na Kretschmer maendeleo mbinu mpya ya uzalishaji wa fullerenes kwa kiasi gram. Ni ilihusisha katika kuchoma electrodes grafiti na safu ya umeme katika anga ya heli na chini ya shinikizo ya chini. Je mmomonyoko wa anode na kuta chumba alionekana Masizi zenye fullerenes.

Zaidi ya hayo, masizi ni kufutwa katika toluini au benzini, na ufumbuzi kusababisha alisimama gramu molekuli safi C ₇₀ na C _60. Uwiano - 1: 3. Zaidi ya hayo, ufumbuzi inakuwa na nzito na asilimia mbili ya juu ili fullerenes. Sasa ni rahisi: kuchagua vigezo mojawapo kwa kuyeyuka - muundo wa anga, shinikizo, electrode mduara, sasa na kuendelea, ili kufikia mavuno ya juu ya fullerenes. Walikuwa hadi kumi na mbili asilimia ya anode nyenzo halisi. Hii ndiyo sababu fullerenes ghali ulipo.

uzalishaji

All majaribio ya wanasayansi majaribio mwanzoni walikuwa bure: uzalishaji na bei nafuu mbinu za kuzalisha fullerenes ulipo. Wala moto moto ya hidrokaboni au kemikali awali hazijafanikiwa. umeme arc njia imekuwa uzalishaji zaidi, utapata kupokea moja gramu ya fullerenes kwa kila saa. kampuni Mitsubishi ina maendeleo njia ya viwanda mwako wa hidrokaboni, lakini si fullerenes safi - zina molekuli za oksijeni. Na hadi sasa bado haijulikani utaratibu wa malezi ya dutu hii, kwa sababu mchakato wa safu ni imara sana kutoka hatua thermodynamic ya maoni, na ni nguvu sana huzuia kuzingatia nadharia. Tu ushahidi dhahiri ambayo inakusanya mtu binafsi fullerene carbon atomi, yaani C ₂ vipande. Hata hivyo, picha ya wazi ya malezi ya dutu hii haijawahi sumu.

gharama kubwa za fullerene imedhamiria si tu mavuno duni wakati kuchomwa moto. Kutengwa, utakaso, mgawanyo wa fullerenes ya raia mbalimbali wa masizi - taratibu hizi zote ni ngumu kabisa. Hasa ni masuala ya kutenganisha mchanganyiko katika sehemu tofauti Masi, ambayo ni uliofanyika kwa safu chromatography kioevu na shinikizo ya juu. Katika hatua ya mwisho ya mabaki kutengenezea ni kuondolewa kutoka fullerene tayari ngumu. Kwa mfano huu ni kuwekwa chini ya utupu nguvu katika joto la nyuzi hadi mia mbili na hamsini. Lakini Faida ni kwamba wakati wa maendeleo ya fullerene C ₆₀ na kuipokea katika kiasi macroscopic tayari kemia ya kikaboni imeongezeka huru tawi - kemia ya fullerenes, ambayo imekuwa incredibly maarufu.

faida

derivat fullerene hutumika katika nyanja mbalimbali za teknolojia. Foils na fuwele fullerene - semiconductor kuwa photoconductivity chini ya umeme macho. Fuwele C _60, ikiwa doped atomi ya madini alkali, mpito kwa hali ya superconductivity. fullerene ufumbuzi na nonlinear mali macho, na kwa hiyo inaweza kutumika kama msingi wa shutters macho kwamba ni muhimu kwa ajili ya ulinzi kutoka mionzi makali. Pia fullerene kutumika kama kichocheo cha almasi awali. Fullerenes sana kutumika katika biolojia na dawa. Ni ajira mali tatu wa molekuli hizi: kuamua lipophilicity membranotropnyh, elektronodefitsit kutoa uwezo mwingiliano na itikadi kali ya bure, lakini pia uwezo wa kuhamisha oksijeni molekuli kawaida msisimko wao serikali na kugeuka oksijeni singlet.

Kama vitu tendaji kushambulia biomolecules: amino nucleic, protini, lipids. aina tendaji oksijeni hutumiwa katika tiba ya nguvu za mwanga kwa ajili ya matibabu ya kansa. damu ya mgonjwa ni kuletwa photosensitizers, na kuzalisha oksijeni aina tendaji - kweli fullerenes au derivat yake. mtiririko wa damu katika tumor ni dhaifu kuliko katika tishu na afya, na kwa sababu photosensitizers kujilimbikiza ndani yake, na baada ya mnururisho mwelekeo wa molekuli wanafurahishwa na kuzalisha aina tendaji oksijeni. seli za saratani kupitia apoptosis, na uvimbe ni kuharibiwa. Mbali na kwamba - fullerenes mali antioxidant na mtego aina tendaji oksijeni.

Fullerene hupunguza HIV integrase shughuli, protini ambayo ina jukumu la ushirikiano wa virusi katika DNA kwa kushirikiana na kwa kubadilisha conformation na kunyima yake ya uvunjifu kazi kuu. Baadhi ya derivat fullerene kiutendaji moja kwa moja na DNA na kuzuia restiktaz action.

Zaidi kuhusu dawa

Mwaka 2007, fullerenes maji mumunyifu alianza kutumika kwa ajili ya kula yao mawakala kama antiallergic. Mafunzo zilifanyika juu ya damu ya binadamu na seli ambayo yamekuwa wazi fullerene derivat - C60 (net) x na C60 (OH) x. Katika majaribio kwenye viumbe hai - panya - matokeo yalikuwa mazuri.

Tayari, dutu kutumika kama vector utoaji madawa ya kulevya, kwa sababu maji zenye fullerenes (kukumbuka haidrofobisiti C ₆₀₎ hupenya utando wa seli ni rahisi sana. Kwa mfano, erythropoietini - figo homoni aliingia moja kwa moja kwenye mfumo wa damu, ni duni kwa kiasi kikubwa, na kama ni kutumika pamoja na fullerenes, mkusanyiko kuongezeka kwa zaidi ya mara mbili, kwa sababu anapata kwenye seli.