Фуллерены

Фуллерены их открытие и свойства

Вы когда-нибудь слышали о фуллеренах? Фуллерены — это удивительные молекулы, которые состоят из атомов углерода, ковалентно связанных друг с другом и образующих сферическую форму. Фуллерены бывают разных размеров, самые известные из которых содержат 28, 32, 50, 60, 70 и 76 атомов углерода. Эти интригующие молекулы были названы в честь Ричарда Бакминстера Фуллера, американского инженера, спроектировавшего уникальные архитектурные сооружения, известные как «геодезические купола», которые имеют структуру, аналогичную фуллеренам.

Фуллерены с24-с70
Фуллерены С24-С70

Среди всех различных типов фуллеренов C60 является наиболее стабильным и привлекательным благодаря своим замечательным свойствам. Хотя это редкое явление в природе, следовые количества C60 были обнаружены в некоторых минералах, таких как карельский шунгит. Несмотря на их редкость в природе, фуллерены широко изучаются в области нанотехнологий из-за их уникальных физических и химических свойств. Ученые считают, что фуллерены могут произвести революцию в таких областях, как создание лекарств, электроника и материаловедение.

Предвидя будущее фуллеренов

Открытие фуллеренов было теоретическим прорывом, который предсказывали как японские, так и российские ученые. В 1970 г. японский физик Э. Осава выдвинул теорию о существовании фуллеренов, а в 1971 г. аналогичную теорию предложили российские ученые. Гипотезы Осавы были опубликованы в японском химическом журнале, не получившем широкой известности в международном научном сообществе. Позже он включил главу о свойствах фуллеренов в книгу об ароматичности, также изданную на японском языке. Однако из-за языкового барьера его работа оставалась неизвестной до экспериментального открытия C60.

В 1971 году в Советском Союзе были проведены первые квантово-химические расчеты фуллеренов и их стабильности. Инициатива исходила от директора Института элементоорганических соединений РАН академика А. Несмеянова, предложившего заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочварю исследовать замкнутые углеродные структуры, потенциально способные улавливать атомы металлов и затягивать их в свою полость, тем самым отделяя эти атомы от остальных. В результате было всесторонне изучено электронное строение фуллеренов, что стало важной вехой в области квантовой химии.

Исследовательская работа началась. Д. Бочвар начал работать с молекулой С20, имеющим форму карбододекаэдра. Однако по расчетам эта конструкция оказалась неустойчивой, и работы были остановлены. Позже сотрудник лаборатории И. Станкевич, который был заядлым футболистом, предложил еще одну закрытую конструкцию из углерода под названием С60. Эта структура имела симметрию усеченного икосаэдра, похожую на футбольный мяч.

Внеся футбольный мяч в лабораторию, он сделал смелое заявление: «Этот мяч может выдержать многочасовые удары ногами 22 здоровых мужчин, скорее всего молекула такой же формы будет невероятно прочной». Однако вычисление квантово-химического состава молекулы такого размера представляло в то время серьезную проблему для компьютеров. Несмотря на это, им удалось провести расчеты и подтвердить, что молекула С60 действительно стабильна.

Фуллерен с60 похож на футбольный мяч
Фуллерен С60 похож на футбольный мяч

К сожалению, сотрудникам лаборатории Бочвара не удалось убедить химиков-экспериментаторов синтезировать эту структуру, и в течение многих лет до 1985 года в стране она оставалась не более чем теоретической концепцией.

Открытие фуллеренов

Открытие фуллеренов в 1985 г. приписывают совместным усилиям трех ученых: Г. Крото из Англии, Р. Смолли и Р. Керла из США. Их значительный вклад в область химии привел к тому, что в 1996 году они были удостоены Нобелевской премии.

Ученые фуллерен

Все началось в середине 1970-х годов, когда Г. Крото, изучая спектральные данные из космоса, наткнулся на незнакомые молекулярные структуры углерода в звездах. Заинтригованный открытием, он решил воспроизвести эти структуры в лаборатории. В начале 1980-х годов в Университете Райса в Техасе под руководством Р. Смолли было разработано оборудование для изучения соединений и кластеров, образованных из тугоплавких элементов.

Благодаря совместным усилиям этих трех ученых были открыты фуллерены, что привело к дальнейшим разработкам и прорывам в области химии. Их открытие открыло новые возможности для исследований и подготовило почву для многочисленных практических приложений.

Однажды Р. Керл. нанес визит Г. Крото в Сассекском университете и пригласил его посетить лабораторию Р. Смолли. В 1984 году Г. Крото впервые посетил лабораторию и был очень впечатлен ее возможностями. Г. Крото предложил новаторскую идею смоделировать условия, при которых в оболочках звезд образовались загадочные углеродные структуры. Он предложил заменить металлический диск, который был ключевым элементом установки, на графитовый диск.

В августе 1985 г. Г. Крото вновь посетил Р. Смолли для участия в эксперименте, оказавшемся историческим. Эксперимент длился 10 дней, и сначала в масс-спектре появились пики, вызывающие недоумение. Позже эти пики были идентифицированы как замкнутые структуры, состоящие из 60 и 70 атомов углерода, имеющие форму футбольного мяча и мяча для регби соответственно. Однако в то время электронная микроскопия не была достаточно развита, чтобы непосредственно визуализировать молекулярные структуры.

13 сентября в редакцию журнала Nature поступила статья «С60: Бакминстерфуллерен». Молекула фуллерена была проиллюстрирована в статье с помощью футбольного мяча, поскольку у авторов не хватило времени на построение каркасной модели атома.

Молекула C60 была идентифицирована исследователями, которые правильно сделали вывод, что это не цепь, а замкнутая сфера. Это связано с тем, что природа предпочитает симметричные структуры, а усеченный икосаэдр имеет наивысшую степень симметрии. Г.Крото, один из исследователей, вспомнил свои первоначальные мысли по этому поводу, сказав: «Я помню, как думал, что такая красивая молекула должна быть правильной».

Геодезический купол Фуллера
Геодезический купол Фуллера

Глядя на купол, построенный Ричардом Бакминстером Фуллером (1895-1983), у Г.Крото возникла идея усеченного икосаэдра как формы молекулы. В честь Фуллера новая молекула была названа в его честь.

Основные свойства фуллеренов

Чем же так примечательны эти молекулы? Перечислим самые основные их свойства:

  • Структура полой клетки —  состоят из структуры, похожей на полую клетку, состоящей из взаимосвязанных атомов углерода. Наиболее распространенным фуллереном является С60, который состоит из 60 атомов углерода, расположенных в форме футбольного мяча.
  • Высокая термическая стабильность: устойчивы к нагреванию и способны выдерживать высокие температуры.
  • Уникальные электрические свойства. полезны при разработке электроники, полупроводников и фотогальванических устройств.
  • Хорошие акцептор электронов: могут легко принимать электроны, их используют как акцепторы электронов в органических солнечных элементах.
  • Большая площадь поверхности: имеют большую площадь поверхности, что полезно для катализа и адсорбции газов.
  • Высокая прочность на разрыв:  обладают высокой прочностью на разрыв, что делает их прочными и долговечными.
  • Биосовместимость: биосовместимы, что означает, что их можно использовать в биомедицинских приложениях, таких как создание лекарств.

Удивительные физические свойства фуллеренов

Фуллерены обладают уникальными электрическими свойствами, которые делают их незаменимыми в электронике. Эти свойства обусловлены их сферической формой и расположением атомов углерода, что создает необычную электронную структуру.

Одним из наиболее важных электрических свойств фуллеренов является их способность вести себя как сверхпроводники при низких температурах. Это означает, что они могут проводить электричество с нулевым сопротивлением.

Еще одним важным свойством является их способность действовать как полупроводники, что означает, что их можно использовать в электронных устройствах, таких как транзисторы и диоды.

Фуллерены обладают интересными оптическими свойствами, в том числе способностью поглощать свет в широком диапазоне длин волн, что делает их полезными для солнечных элементов и других фотогальванических приложений.

Фото фуллерена
Фото фуллерена

Одним из наиболее заметных свойств фуллеренов является их высокая термическая стабильность с температурой плавления от 2800 до 3600 градусов Цельсия, в зависимости от конкретной молекулы фуллерена. Они также обладают высоким сродством к электрону и проводимостью.

Кроме того, эти молекулы обладают высокой степенью твердости и долговечности, что делает их идеальными для использования в покрытиях и защитных материалах. Например, предел прочности при растяжении C60 составляет 18 гигапаскалей, что прочнее алмаза.

Еще одним важным свойством фуллеренов является их способность действовать как катализаторы в различных химических реакциях, включая гидрирование и окисление. Их также можно использовать для улавливания и хранения газов, таких как водород и углекислый газ.

Промышленный синтез фуллеренов

Еще в 1990 г. двое ученых, В. Кречмер из Германии и Д. Хаффман из США, разработали новаторскую методику получения фуллеренов в промышленных масштабах. Этот метод включал синтез фуллеренов в электрической дуге, которая горела между графитовыми электродами в присутствии инертного газа. В результате на электродах и вокруг них оседала специфическая сажа, представляющая собой смесь различных фуллеренов.

Синтез фуллеренов

Сегодня фуллерены используются во многих областях науки и техники. Например, их добавляют в смазочные материалы в качестве присадок, которые помогают улучшить скольжение и коррозионную стойкость различных деталей на транспорте, в производстве и энергетике. Так же, как и алмазы, фуллерен C60, другая форма углерода, известен своей устойчивостью к высоким температурам и прочностью, хотя последний термин не обязательно применим к самой тонкой саже. В смазочных материалах молекулы фуллерена C60 работают как крошечные шарики подшипника, которые катятся между поверхностями деталей, предотвращая их трение друг о друга.

Полимерно-фуллереновые композиты

В последние годы ученые изучают потенциал передовых композитных материалов, в частности полимерно-фуллереновых композитов, для использования в производстве недорогих и легких солнечных элементов. Одним из наиболее перспективных применений этого уникального материала является солнечная энергетика. Исследователи работали над созданием полимерно-фуллереновых композитов более двух десятилетий и обнаружили, что за счет включения молекул C60 и C70 они могут значительно увеличить подвижность электронов полупроводникового слоя, а также проводимость проводящего слоя.

Благодаря этим достижениям эффективность фуллеренсодержащих фотоэлементов с начала исследований увеличилась в 100 раз, достигнув впечатляющих 11%. Эта разработка является значительным прорывом, поскольку она предлагает возможность производства полимерных фотоэлектрических преобразователей с чрезвычайно низкими затратами, позволяя при этом напрямую производить большие солнечные панели, минуя необходимость трудоемкой сборки небольших пластин.

Поскольку мир продолжает искать альтернативные, устойчивые источники энергии, передовые композитные материалы, такие как полимерно-фуллереновые композиты, будут играть решающую роль в будущем солнечной энергетики. С дальнейшим развитием этих материалов мы можем ожидать более эффективного, доступного и экологически чистого подхода к производству солнечной энергии.

Применение фуллеренов

Недавние открытия в материаловедении открыли некоторые замечательные свойства новых веществ. Патентные ведомства развитых стран получили тысячи заявок на патенты по использованию фуллеренов. Изобретатели надеются, что этот новый материал проложит путь к прорывам в производстве сверхпроводников, сегнетоэлектриков, магнитов, полупроводников, нелинейно-оптических материалов, катализаторов, лекарств и многого другого.

Одним из примеров этих изобретений являются композитные материалы, используемые для скользящих сильноточных электрических контактов, с повышенной прочностью и более длительным сроком службы. Существуют также термомодифицированные электродные материалы для аккумуляторов и сверхпроводящие структуры на основе интеркалятов фуллеренов. Это всего лишь несколько примеров многочисленных потенциальных применений фуллеренов.

Фуллерены обладают уникальными свойствами, которые делают их идеальными для множества приложений. Одна из областей исследований связана с использованием фуллеренов в медицине. Исследования показали, что фуллерены могут действовать как антиоксиданты, которые могут помочь защитить клетки от повреждений, вызванных свободными радикалами. Кроме того, было обнаружено, что фуллерены обладают противовоспалительными свойствами и перспективны в лечении таких состояний, как рак и болезнь Альцгеймера.

Промышленное производство фуллеренов в России
Промышленное производство фуллеренов в России

Еще одно направление исследований связано с использованием фуллеренов в области нанотехнологий. Фуллерены можно использовать для создания нанотрубок, которые невероятно прочны и имеют множество потенциальных применений. Например, нанотрубки можно использовать для создания более прочных и легких материалов для использования в самолетах и ​​других транспортных средствах.

Фуллерены также могут быть использованы в устройствах хранения энергии, таких как батареи и суперконденсаторы. Продолжаются исследования по разработке более эффективных и действенных способов использования фуллеренов.

Справочник для школьников
2 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Владик

Открытие века, я считаю.

Йосик

Как сейчас обстоят дела с фуллеренами?