Подробно о фуллеренах

Нобелевский приз за 1996 год был получен Робертом Кёрлом, Харольдом Крото, Ричардом Смолли за сделанное ими, вместе с в 1985 году важное открытие новой аллотропной формы углерода в которой атомы расположены в замкнутых оболочках. Основная молекула новой формы - С60, имела геометрию усечённых икосаэдров и была названа Бакминстерфеллерен в честь известного архитектора Бакминстера Фуллера проектировавшего геодезические купола в 60-х.

Фуллерены это третья аллотропная форма после графита и алмаза. С самого открытия фуллеренов было много ожиданий перспективных практических применений нового материала. Сразу предполагалось что фуллерены могут быть хорошими материалами для смазок, перекатываясь как миниподшипники или смогут быть использованы для адресной доставки лекарств.

Молекула C60 состоит 60 атомов углерода упорядоченных как 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Форма полностью соответствует футбольному мячу. Однако это сравнение не учитывает размер — если бы молекула С60 была бы размером с футбольный мяч сам футбольный мяч оказался бы размером с землю. На практике размер С60, в зависимости от методики оценки, примерно один нанометр и можно его принять за начало отсчёта наноматериалов. Особенно поразительным свойством С60 является высокая симметрия, всего 120 операций симметрии, таких как оборот вокруг осей или отражения, можно выполнить с данной молекулой, что делает её наиболее симметричной молекулой из всех известных в настоящее время. Основываясь на теореме математика Леонарда Эйлера, показано что из пяти и шестиугольников сферическая поверхность может быть построена только с именно двенадцатью пятиугольниками. В зависимости же от числа шестиугольников в структуре могут существовать молекулы других размеров, отличных от С60. По распространённости и лёгкости получение их можно расставить так: C70, C76/78, C84, C90 и более крупные. Эндоэдральные фуллерены имеющие до 300 атомов углерода обобщённо ещё называют «бакиболлы» вместе с наиболее распространённым С60. Гигантские же фуллерены с более чем 300 атомами включают в себя более сложные структуры, такие как многослойные сферы, «луковицы» и «нанотрубки».

Поскольку фуллерен С60 состоит из 20 гексагонов и 12 пентагонов соединённых в сферу, каждый атом углерода связан с тремя другими и имеет sp2 гибридизацию. Причём в молекуле есть два типа связей двойные, более короткие, в местах соединения 6:6 и одинарные 6:5. C60 таким образом двойные, непредельные, «ароматические» связи в молекуле не объединены и электроны не «размазаны» по атомной решётке подобно металлам. В результате, C60 проявляет свойства электрондефицитных алкенов и легко взаимодействует в электронизбыточными веществами, но в то же время является достаточно стабильным веществом при привычных нам условиях. Форма и плотная «связка» атомов в сферу вносит свой вклад в стабильность молекулы сохраняющей форму при взаимодействиях с другими материалами и веществами. Фуллерены, в норме, образуют твёрдые стабильные кристаллы фуллерита из 20-и и более молекул фуллерена за счёт межмолекулярного взаимодействия что приводит к трудностям получения стабильных растворов. Однако при достаточно сильном внешнем механическом или химическом воздействии эти кристаллы разрушаются.

Физические свойства C60 (фуллерена) как материала:

Плотность: 1.72 г/см-3

Стандартная теплота образования: 9.08 ккал/моль

Индекс рефракции: 2.2 (600нм)

Точка кипения: Сублимируется при 800K

Кристалическая решётка: Гексагональная кубическая

Давление паров: 5x10-6 тор при комнатной температуре

: 8x10-4 тор при 800K

Внешний вид:

Фуллереновая сажа: Очень мелкий, рассыпчатый, чёрный порошок

Фуллерит: Коричнево-чёрный порошок

C60 : Чёрный порошок

Запах: Без запаха

Растворяются в бензоле, толуоле и хлороформе образую окрашеные растворы. Трудно растворяется в иных растворителях, склонен к образованию осадка фуллерита.

 

Фуллерены сильные антиооксиданты, с легко и быстро взаимодействующие со свободными радикалами являющимеся причинами многих разрушительных процессов в организмах и технике. Таким образом они способны предотвращать окислительное и радикальное повреждение клеток живых организмов, порчу продуктов, разложение пластиков и иных материалов, а также же коррозию металлов. Лекарства на основе фуллеренов иследуются большинством крупных фармацевтических компаний и университетов. К примеру, средства сдерживающие неврологические повреждения при болезни Альцгеймера, атеросклерозе, боковой амиотрофическом склерозе имеющие радикальную природу. Перспективны так же антивирусные препараты, и средства для фотодинамической терапии в связи со способностью фуллеренов очень активно поглощать свет некоторых длин волн. Вообще фуллерены иногда называют «радикальной губкой» так как они способны присоединять и нейтрализовывать до 20 свободных радикалов на одну молекулу фулерена. В этом они в сто и более раз превосходят витамины такие как витамин Е.

Фуллерены и фуллереновая сажа химически активны и могут быть добавлены к полимерным структурам и композитам для образования новых сополимеров с особенными физическими и механическими свойствами. Большое количество работ проводилось в этом направлении.

Фуллерены перспективны в области химического катализа, в реакциях гидрогенизации и гидродеалкилирования, и высоко активны при процессах конверсии метана в высшие углеводороды. Ингибируют коксование.

Ещё одним применением фуллеренов является изготовление полимерных транзисторов фотодетекторов, причём, что интересно, лучшие качества демонстрирует С84 благодаря большей подвижности электронов при высокой стабильности. А именно гибкие схемы с минимумом металлов и неорганики это будущее носимой и вживляемой электроники.

Фуллереновая сажа будучи недорогим продуктом показывает значимые улучшения при применении вместо угольной сажи во многих приложениях, таких как катализ, носители для катализа и добавки к резинам. Отличительным свойством фуллереновой сажи является исходная изогнутость слоёв материала по сравнению с линейностью угольной сажи и большая твёрдость, что даёт одновременно и большую площадь поверхности слоёв и механическую прочность.