VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Введение

Открытие фуллеренов - новой формы существования одного из самых распространенных элементов на Земле – углерода, признано одним из удивительных и важнейших открытий в науке XX столетия. Сегодня я расскажу вам о том, как и где применяются фуллерены на сегодняшний день. Фуллерен

Итак, что же такое – фуллерен?

Фуллерен - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани.

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода по существу. Молекула С60 содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Поэтому следует признать, что молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) - это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

Синтез

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества.

Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Сажу растворяют в бензоле или толуоле и из полученного раствора выделяют в чистом виде граммовые количества молекул С₆₀ и С₇₀ в соотношении 3:1 и примерно 2 % более тяжёлых фуллеренов. Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С₆₀ за последние 17 лет — с 10 тыс. до 10-15 долл. за грамм, что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

В настоящее время предлагаются разные способы сборки молекулы фуллерена из фрагментов. Целью этих исследований является достижение понимания механизма образования сферических молекул из известной структуры графита и других органических соединений, используемых в качестве сырья при генерации фуллеренов. Знание механизма образования фуллеренов позволит исследователям, в свою очередь, целенаправленно создавать и варьировать способы и условия синтеза различных типов фуллеренов и их производных.

Основой для получения фуллеренов являются высокотемпературные пары углерода. Существует множество способов их получения: нагревание графитовых стержней электрическим током в вакууме, электродуговой разряд между графитовыми электродами в атмосфере гелия, лазерное испарение углерода, сжигание углеводородов и нафталина. В результате синтеза образуется сложная смесь, содержащая углеродную сажу, смесь фуллеренов различного состава и молекулы примесей, как правило, полиароматических углеводородов. Выделение фуллеренов проводят экстракцией органическими растворителями с последующим разделением на индивидуальные продукты.

Свойства

Кристаллические фуллерены и пленки представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1,2-1,9 эВ и обладают фотопроводимостью. При облучении видимым светом электрическое сопротивление кристалла фуллерита уменьшается. Фотопроводимостью обладают не только чистый фуллерит, но и его различные смеси с другими веществами. Было обнаружено, что добавление атомов калия в пленки С₆₀ приводит к появлению сверхпроводимости при 19 К.

Молекулы фуллеренов, в которых атомы углерода связаны между собой как одинарными, так и двойными связями, являются трехмерными аналогами ароматических структур. Обладая высокой электроотрицательностью, они выступают в химических реакциях как сильные окислители. Присоединяя к себе радикалы различной химической природы, фуллерены способны образовывать широкий класс химических соединений, обладающих различными физико-химическими свойствами. Так, недавно получены пленки полифуллерена, в которых молекулы С₆₀ связаны между собой не ван-дер-ваальсовским, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием. Эти плёнки, обладающие пластическими свойствами, являются новым типом полимерного материала. Интересные результаты достигнуты в направлении синтеза полимеров на основе фуллеренов. При этом фуллерен С60 служит основой полимерной цепи, а связь между молекулами осуществляется с помощью бензольных колец. Такая структура получила образное название "нить жемчуга".[4]

Присоединение к С₆₀ радикалов, содержащих металлы платиновой группы, позволяет получить ферромагнитные материалы на основе фуллерена. В настоящее время известно, что более трети элементов периодической таблицы могут быть помещены внутрь молекулы. С₆₀. Имеются сообщения о внедрении атомов лантана, никеля, натрия, калия, рубидия, цезия, атомов редкоземельных элементов, таких как тербий, гадолиний и диспрозий.

Разнообразие физико-химических и структурных свойств соединений на основе фуллеренов позволяет говорить о химии фуллеренов как о новом перспективном направлении органической химии.

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов -фуллерен (C₆₀), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С - он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 А, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 А. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго - одинарная, что существенно для химии фуллерена С₆₀.

Применение

Перспективы применения фуллеренов обусловлены спецификой их физико-химических характеристик. Добавка небольшого их количества способна существенно изменить свойства модифицированного материала.

По мнению многих экспертов особенно выражены преимущества фуллеренов в следующих практических приложениях:

Основные направления	Материалы, модифицируемые фуллеренами
Создание новых конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в строительстве инженерно-технических сооружениях и в изготовлении средств индивидуальной защиты.	Тканые материалы специального назначения (ленты, полотна, паруса, канаты, сверхпрочные нити) на основе полимерных молекул, модифицированные фуллеренами; Бетонополимеры повышенной прочности и влагостойкости; Легкие волокнистые структуры, модифицированные фуллеренами и наноструктурами, как упрочненные уплотняющие материалы; Сверхпрочные (выше твердости алмаза) насадки специального инструмента.
Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов.	Присадки к маслам и смазкам, резко повышающие износоустойчивость пар трения в машинах и механизмах; Антизадирные составы для узлов, работающих в условиях повышенных нагрузок; Материалы для снижения износа в условиях сухого трения; Смазывающе-охлаждающие технологические составы, увеличивающие жизнеспособность инструмента.
Получение новых композиционных материалов электротехнического назначения.	Композиционные материалы скользящих сильноточных электрических контактов с повышенным ресурсом работы; Термомодифицированные материалы электродов для химических источников тока; Элементы сверхпроводящих конструкций на основе фуллереновых интеркалятов.
Получение новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного противодействия.	Материалы защитных экранов антилазерного назначения; Материалы для стелс-технологий различного назначения; Материалы устройств для корреляции лазерного изображения в системах наблюдения и обработки спутниковой информации (высокоразрешающие динамические голограммы); Материалы дифракционных ветвителей в волоконно-оптических сетях.
Создание материалов и микроэлектронных изделий специального назначения.	Материалы новейших микросенсоров; Тонкопленочные защитные покрытия высокой стойкости; Неорганические резисты субмикронного разрешения; Электрооптические модуляторы света, в том числе многоканальные, и модуляторы на эффекте “свет-свет”.
Разработка новых технологий в медицине.	Ранозаживляющие повязки.

Следует учесть, что возможные области применения фуллеренов не исчерпываются указанными выше, а постоянно расширяются.

В настоящее время преобладающая часть научных исследований связана с химией фуллеренов. На основе фуллеренов уже синтезировано более 3 тысяч новых соединений. Столь бурное развитие химии фуллеренов связано с особенностями строения этой молекулы и наличием большого числа двойных сопряженных связей на замкнутой углеродной сфере. Комбинация фуллерена с представителями множества известных классов веществ открыла для химиков-синтетиков возможность получения многочисленных производных этого соединения.

Заключение

Перспективы применения фуллеренов обусловлены спецификой их физико-химических характеристик. Они являются перспективными наноматериалами для создания новых видов продукции с улучшенными свойствами, которые могут найти свое применение во множестве отраслей промышленности: энергетике, электронике, медицине, фармацевтике, машиностроении и др.Главным препятствием для широкомасштабного применения и производства фуллеренов является несовершенство методов его синтеза.

Источники

1. Свободная энциклопедия Википедия [Электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD

2. Сибирский Государственный Аэрокосмический университет. Научная документация [Электронный ресурс] http://www.sibsauktf.ru/courses/fulleren/g1.htm

3. ООО “Научно-производственная компания “НеоТекПродакт” [Электронный ресурс] http://www.neotechproduct.ru/application

Код для цитирования: Скопировать