Fullerene c60 apa. Fullerene adalah bentuk karbon alotropik baru. Alotrop karbon yang diketahui

Berdasarkan bahan dari www.fullwater.com.ua

"FULLEREN - MATRIKS KEHIDUPAN..."

Jadi, tidak seperti bentuk karbon yang terkenal - berlian dan grafit, fullerene adalah molekul, terdiri dari atom karbon. Perwakilan terpenting dari keluarga fullerene C60, terdiri dari 60 atom karbon. Memang, kita tidak bisa mengatakan "molekul berlian atau grafit", ini hanyalah bentuk kristal dengan susunan spasial atom karbon tertentu dalam kisinya. Fullerene adalah satu-satunya bentuk molekul karbon.

Alam telah menyatukan banyak konsep yang kontradiktif dalam satu objek.

Fullerene adalah penghubung antara bahan organik dan anorganik. Ini adalah molekul, partikel, dan cluster. Diameter molekul C60 adalah 1 nm, yang sesuai dengan batas dispersi yang terletak antara wujud molekul “sebenarnya” dan koloid suatu zat.

Jika kita melihat ke dalam fullerene, kita hanya akan menemukan kekosongan yang dipenuhi medan elektromagnetik. Dengan kata lain, kita akan melihat semacam ruang berongga, dengan diameter sekitar 0,4 nm, berisi “ Tidak ada apa-apa" - kekosongan, tertutup dalam cangkang karbon, seperti dalam semacam wadah. Selain itu, dinding wadah ini tidak memungkinkan partikel material (ion, atom, molekul) menembus ke dalamnya. Namun ruang hampa itu sendiri, seolah-olah merupakan bagian dari kosmos, lebih tepatnya sesuatu daripada tidak ada yang mampu berpartisipasi dalam interaksi informasional yang halus dengan lingkungan material eksternal. Molekul fullerene dapat disebut sebagai “gelembung vakum”, yang tidak sesuai dengan tesis terkenal bahwa alam tidak menyukai ruang hampa. Vakum dan materi– dua fondasi alam semesta bersatu secara harmonis dalam satu molekul.

Sifat luar biasa lainnya dari fullerene adalah interaksinya dengan air. Bentuk kristalnya diketahui tidak larut dalam air. Banyak upaya untuk memperoleh larutan fullerene dalam air mengarah pada pembentukan sistem fullerene-air koloid atau terdispersi kasar, di mana partikelnya mengandung sejumlah besar molekul dalam bentuk kristal. Pembuatan larutan molekuler dalam air tampaknya mustahil. Dan memiliki solusi seperti itu sangatlah penting, terutama untuk menggunakannya dalam biologi dan kedokteran. Sejak ditemukannya fullerene, aktivitas biologisnya yang tinggi telah diprediksi. Namun, pendapat yang diterima secara umum tentang hidrofobisitas fullerene telah mengarahkan upaya banyak ilmuwan untuk menciptakan turunan yang larut dalam air atau bentuk terlarut. Dalam hal ini, berbagai radikal hidrofilik melekat pada molekul fullerene atau dikelilingi oleh polimer dan surfaktan yang larut dalam air, sehingga molekul fullerene “dipaksa” untuk tetap berada dalam lingkungan berair. Banyak penelitian menemukan tingginya aktivitas biologis. Namun, setiap perubahan pada kulit karbon terluar menyebabkan pelanggaran struktur elektronik dan simetri molekul fullerene, yang pada gilirannya mengubah kekhususan interaksinya dengan lingkungan. Oleh karena itu, efek biologis dari molekul fullerene yang ditransformasikan secara artifisial sangat bergantung pada sifat radikal yang menempel serta pelarut dan pengotor yang terkandung. Molekul Fullerene menunjukkan individualitas yang paling mencolok dalam bentuknya yang tidak termodifikasi dan, khususnya, dalam larutan molekulnya dalam air.

Larutan fullerene dalam air yang dihasilkan stabil dari waktu ke waktu (lebih dari 2 tahun), memiliki sifat fisikokimia yang tidak berubah dan komposisi yang konstan. Solusi ini tidak mengandung kotoran beracun. Idealnya hanya air dan fullerene. Selain itu, fullerene dibangun ke dalam struktur multilayer alami air, di mana lapisan pertama air terhubung erat ke permukaan fullerene karena interaksi donor-akseptor antara oksigen air dan pusat akseptor di permukaan fullerene. .

Kompleks molekul sebesar itu dengan air juga memiliki kapasitas buffer yang signifikan. Di dekat permukaannya, nilai pH dipertahankan 7,2–7,6; nilai pH yang sama ditemukan di dekat permukaan membran bagian utama sel sehat dalam tubuh. Banyak proses “penyakit” sel disertai dengan perubahan nilai pH di dekat permukaan membrannya. Pada saat yang sama, sel yang sakit tidak hanya menciptakan kondisi yang tidak nyaman bagi dirinya sendiri, tetapi juga berdampak negatif pada tetangganya. Fullerene terhidrasi, berada di dekat permukaan sel, mampu mempertahankan nilai pH yang sehat. Dengan demikian, kondisi yang menguntungkan tercipta bagi sel untuk mengatasi penyakitnya.

Dan sifat yang paling luar biasa dari fullerene terhidrasi adalah sifatnya kemampuan menetralisir radikal aktif. Aktivitas antioksidan fullerene 100–1000 kali lebih besar daripada efek antioksidan yang diketahui (misalnya vitamin E, dibunol, b-karoten). Selain itu, fullerene terhidrasi tidak menekan tingkat alami radikal bebas dalam tubuh dan menjadi aktif hanya ketika konsentrasinya meningkat. Dan semakin banyak radikal bebas yang terbentuk di dalam tubuh, semakin aktif fullerene terhidrasi dalam menetralisirnya. Mekanisme aksi antioksidan fullerene pada dasarnya berbeda dari aksi antioksidan yang diketahui yang digunakan dalam praktik. Jadi, untuk menetralisir satu radikal, diperlukan satu molekul antioksidan tradisional. Dan satu molekul fullerene terhidrasi mampu menetralkan radikal aktif dalam jumlah tidak terbatas. Ini adalah sejenis katalis antioksidan. Selain itu, molekul fullerene sendiri tidak ikut serta dalam reaksi, tetapi hanya merupakan elemen pembentuk struktur gugus air. ...

Pada awal abad yang lalu, Akademisi Vernadsky memperhatikan bahwa materi hidup mempunyai ciri simetri yang tinggi. Berbeda dengan dunia anorganik, banyak organisme memiliki sumbu simetri orde kelima. Fullerene C60 memiliki 6 sumbu orde kelima; ini adalah satu-satunya molekul di alam dengan simetri unik. Bahkan sebelum fullerene ditemukan, struktur molekul beberapa protein diketahui berbentuk seperti fullerene; beberapa virus dan struktur biologis penting lainnya (misalnya) memiliki struktur serupa. Korespondensi menarik antara molekul fullerene dan gugus minimalnya struktur sekunder DNA. Jadi ukuran molekul C60 sesuai dengan jarak antara tiga pasang basa komplementer dalam DNA, yang disebut. kodon yang menentukan informasi untuk pembentukan satu asam amino dari protein yang disintesis. Jarak antara lilitan heliks DNA adalah 3,4 nm; cluster C60 berbentuk bola pertama, terdiri dari 13 molekul fullerene, memiliki ukuran yang sama.

Diketahui bahwa karbon, terutama karbon grafit dan amorf, memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi molekul paling sederhana di permukaannya, termasuk molekul yang dapat menjadi bahan pembentukan molekul penting biologis yang lebih kompleks dalam proses pembentukan fondasi kehidupan. urusan. Fullerene, karena sifat akseptornya, mampu berinteraksi secara selektif dengan molekul lain, dan dalam lingkungan berair, mentransfer sifat-sifat ini ke lapisan air yang teratur pada jarak yang cukup jauh dari permukaannya.

Ada banyak teori tentang asal usul kehidupan dari bahan anorganik dan syarat utamanya adalah faktor-faktor seperti

Konsentrasi molekul sederhana (CO, NO, NH3, HCN, H2O, dll.) di dekat pusat aktif di mana reaksi terjadi dengan partisipasi sumber energi eksternal.

Komplikasi molekul organik yang terbentuk menjadi polimer dan struktur terurut primer.

Pembentukan struktur tingkat tinggi.

Pembentukan sistem reproduksi diri.

Secara eksperimental, ketika menciptakan kondisi yang ada di bumi pada periode prabiologis, kemungkinan mengamati faktor pertama terbukti. Pembentukan asam amino vital dan tidak penting serta beberapa basa nukleat dalam kondisi ini sangat mungkin terjadi. Namun, kemungkinan terpenuhinya semua kondisi munculnya kehidupan praktis nol. Artinya, harus ada kondisi lain yang memungkinkan terlaksananya mekanisme perakitan unsur-unsur sederhana, kompleksitas dan keteraturan senyawa organik yang dihasilkan hingga ke tingkat kenampakan materi hidup. Dan kondisi ini menurut kami adalah adanya matriks. Matriks ini harus memiliki komposisi yang konstan, memiliki simetri yang tinggi, berinteraksi (tetapi tidak kuat) dengan air, menciptakan lingkungan simetris molekul lain pada jarak yang cukup jauh, mampu mengkonsentrasikan radikal aktif di dekat permukaannya dan memfasilitasi netralisasinya dengan pembentukan. molekul organik kompleks, pada saat yang sama, melindungi bentuk netral dari serangan radikal aktif, membentuk struktur serupa dan struktur serupa di lingkungan perairan. Dan yang terpenting, matriks kehidupan karbon harus berupa karbon. Dan semua persyaratan ini dipenuhi oleh fullerene dalam keadaan terhidrasi. Dan, kemungkinan besar, perwakilan utama dan paling stabil dari keluarga fullerene C60. Bisa jadi kemunculan kehidupan bukanlah suatu tindakan yang primer, melainkan proses ini terjadi terus-menerus dan entah bagaimana mempengaruhi perkembangan kehidupan, pengujian kehidupan yang sudah ada, dan pembentukan bentuk-bentuk barunya.

Fullerene ada di alam dimanapun terdapat karbon dan energi tinggi. Mereka ada di dekat bintang karbon, di ruang antarbintang, di sambaran petir, atau di dekat kawah gunung berapi, bahkan saat gas dibakar di kompor gas rumah. Fullerene juga ditemukan di tempat di mana batuan karbon terakumulasi. Tempat khusus di sini adalah milik batuan shungite Karelian. Batuan ini, yang mengandung hingga 90% karbon murni, berumur sekitar 2 miliar tahun. Sifat asal usul mereka masih belum jelas. Salah satu asumsinya adalah jatuhnya meteorit karbon berukuran besar. DI DALAM shungite fullerene alami ditemukan untuk pertama kalinya. Kami juga berhasil mengekstraksi dan mengidentifikasi fullerene C60 di shungite.

Sejak zaman Peter I, telah ada mata air penyembuhan di Karelia “ Perairan Marcial" Selama bertahun-tahun, tidak ada yang bisa menjelaskan secara pasti alasan khasiat penyembuhan dari sumber ini. Peningkatan kandungan zat besi diasumsikan menjadi penyebab efek peningkatan kesehatan. Namun, ada banyak sumber yang mengandung zat besi di bumi, tetapi biasanya tidak memiliki efek penyembuhan. Hanya setelah ditemukannya fullerene di batuan shungite yang dilalui mata air, muncul asumsi bahwa fullerene adalah inti dari efek terapeutik air Martial. Namun, khasiat penyembuhan air ini, seperti air lelehan, tidak bertahan lama. Itu tidak dapat dibotolkan dan digunakan sesuai kebutuhan. Keesokan harinya ia kehilangan propertinya. Air Mars, setelah melewati batuan yang mengandung fullerene dan struktur mirip fullerene, hanya “jenuh” dengan struktur yang diberikan oleh batuan tersebut. Dan selama penyimpanan, kelompok pemberi kehidupan ini hancur. Fullerene tidak memasuki air secara spontan dan, oleh karena itu, tidak ada elemen pembentuk struktur yang mampu mempertahankan akumulasi air yang teratur untuk waktu yang lama, dan akibatnya, air tersebut dengan cepat memperoleh sifat-sifat air biasa. Selain itu, ion-ion yang ada di dalamnya mengatur ulang struktur asli air, menciptakan kelompok hidrasinya sendiri.

Setelah memperoleh larutan koloid molekuler fullerene dalam air, kami mencoba mereproduksi esensi perairan Martial di laboratorium. Tetapi untuk melakukan ini, mereka mengambil air yang sangat murni dan menambahkan larutan fullerene dalam dosis homeopati. Setelah itu mereka mulai melakukan uji biologis pada berbagai model. Hasilnya luar biasa. Di hampir semua model patologi, kami menemukan efek biologis positif. Eksperimen telah berlangsung selama lebih dari 10 tahun. Dengan percobaan yang dilakukan dengan baik, setiap perubahan patologis pada organisme hidup hampir selalu berusaha untuk kembali normal. Namun ini bukanlah obat yang ditargetkan atau senyawa kimia asing, melainkan hanya bola karbon yang dilarutkan dalam air. Selain itu, ada kesan bahwa fullerene terhidrasi cenderung mengarah pada " kondisi normal“segala perubahan yang terjadi pada tubuh, pada struktur-struktur yang dilahirkannya sebagai matriks dalam proses asal mula kehidupan.

Fullerene C 60

Fullerene C 540

Fullerene, bola bucky atau bola bucky- senyawa molekuler yang termasuk dalam kelas tersebut bentuk alotropik karbon(lainnya - berlian , karabin Dan grafit) dan merupakan polihedra tertutup cembung yang terdiri dari bilangan trikoordinat genap atom karbon. Koneksi ini berutang namanya kepada insinyur dan perancangnya Richard Buckminster Fuller, yang struktur geodetiknya dibangun berdasarkan prinsip ini. Awalnya, golongan senyawa ini terbatas pada struktur yang hanya mengandung permukaan pentagonal dan heksagonal. Perhatikan bahwa untuk keberadaan polihedron tertutup yang dibangun dari N simpul hanya membentuk permukaan pentagonal dan heksagonal, menurut Teorema Euler untuk polihedra, menegaskan keadilan kesetaraan | N | − | e | + | F | = 2 (di mana | N | , | e| dan | F| masing-masing, jumlah simpul, tepi, dan sisi), syarat yang diperlukan adalah adanya tepat 12 sisi segi lima dan N/ 2 − 10 permukaan heksagonal. Jika molekul fullerene, selain atom karbon, juga mengandung atom unsur kimia lain, maka jika atom unsur kimia lain terletak di dalam kerangka karbon, fullerene tersebut disebut endohedral, jika di luar - eksohedral.

Sejarah penemuan fullerene

Sifat struktural fullerene

Dalam molekul fullerene, atom karbon terletak di simpul segi enam dan segi lima beraturan, yang membentuk permukaan bola atau ellipsoid. Perwakilan keluarga fullerene yang paling simetris dan paling banyak dipelajari adalah fullerene (C 60), di mana atom karbon membentuk ikosahedron terpotong yang terdiri dari 20 segi enam dan 12 segi lima dan menyerupai sepak bola. Karena setiap atom karbon fullerene C 60 secara bersamaan termasuk dalam dua segi enam dan satu segi lima, maka semua atom dalam C 60 adalah setara, yang dikonfirmasi oleh spektrum resonansi magnetik nuklir(NMR) dari isotop 13 C - hanya mengandung satu baris. Namun, tidak semua obligasi C-C memiliki panjang yang sama. Ikatan C=C yang merupakan sisi persekutuan kedua segi enam adalah 1,39 Å, dan ikatan C-C yang umum pada segi enam dan segi lima lebih panjang dan sama dengan 1,44 Å. Selain itu, ikatan tipe pertama adalah rangkap, dan ikatan kedua adalah tunggal, yang penting untuk kimia fullerene C60.

Yang paling umum berikutnya adalah fullerene C 70, yang berbeda dari fullerene C 60 dengan penyisipan sabuk 10 atom karbon ke daerah ekuator C 60, akibatnya molekul C 70 memanjang dan menyerupai bola untuk dimainkan. di dalam ragbi.

Yang disebut fullerene lebih tinggi, mengandung lebih banyak atom karbon (hingga 400), terbentuk dalam jumlah yang jauh lebih kecil dan seringkali memiliki komposisi isomer yang agak kompleks. Di antara fullerene tinggi yang paling banyak dipelajari, kita dapat menyoroti C N , N=74, 76, 78, 80, 82 dan 84.

Sintesis Fullerene

Fullerene pertama diisolasi dari uap yang terkondensasi grafit diperoleh dengan iradiasi laser sampel grafit padat. Faktanya, ini adalah jejak substansinya. Langkah penting berikutnya telah diambil 1990 W. Kretschmer, Lamb, D. Huffman dan lain-lain, yang mengembangkan metode untuk memproduksi fullerene dalam jumlah gram dengan membakar elektroda grafit dalam busur listrik di atmosfer helium pada tekanan rendah. . Dalam proses erosi anoda Jelaga yang mengandung sejumlah fullerene menempel di dinding ruangan. Selanjutnya, dimungkinkan untuk memilih parameter optimal untuk penguapan elektroda (tekanan, komposisi atmosfer, arus, diameter elektroda), di mana hasil fullerene tertinggi dicapai, rata-rata 3-12% dari bahan anoda, yaitu pada akhirnya menentukan tingginya harga fullerene.

Pada awalnya, semua upaya yang dilakukan oleh para peneliti untuk menemukan cara yang lebih murah dan lebih produktif untuk menghasilkan fullerene dalam jumlah gram (pembakaran hidrokarbon dalam nyala api, sintesis kimia, dll.) tidak membuahkan hasil dan metode “arc” tetap paling produktif untuk waktu yang lama (produktivitas sekitar 1 g/jam). Selanjutnya, perusahaan mitsubishi berhasil membangun produksi industri fullerene dengan membakar hidrokarbon, tetapi fullerene tersebut mengandung oksigen dan oleh karena itu metode busur masih menjadi satu-satunya metode yang cocok untuk memperoleh fullerene murni.

Mekanisme pembentukan fullerene dalam busur masih belum jelas, karena proses yang terjadi di daerah pembakaran busur tidak stabil secara termodinamika, yang sangat memperumit pertimbangan teoritisnya. Hanya mungkin untuk membuktikan secara tak terbantahkan bahwa fullerene dirakit dari atom karbon individu (atau fragmen C2). Sebagai buktinya, grafit 13 C yang sangat murni digunakan sebagai elektroda anoda, elektroda lainnya terbuat dari grafit 12 C biasa. Setelah ekstraksi fullerene, hal ini ditunjukkan dengan metode NMR bahwa atom 12 C dan 13 C terletak secara acak pada permukaan fullerene. Hal ini menunjukkan penguraian bahan grafit menjadi atom individu atau fragmen tingkat atom dan selanjutnya dirakit menjadi molekul fullerene. Keadaan ini memaksa kami untuk meninggalkan gambaran visual pembentukan fullerene akibat pelipatan lapisan grafit atom menjadi bola tertutup.

Peningkatan yang relatif pesat dalam jumlah instalasi untuk memproduksi fullerene dan upaya terus-menerus untuk meningkatkan metode pemurniannya telah menghasilkan penurunan yang signifikan dalam biaya C 60 selama 17 tahun terakhir - dari $10.000 menjadi $10-15 per gram, yang berarti telah membawa mereka ke titik penggunaan industri nyata.

Sayangnya, meskipun metode Huffman-Kretschmer (HK) telah dioptimalkan, tidak mungkin meningkatkan hasil fullerene lebih dari 10-20% dari total massa grafit yang terbakar. Jika kita memperhitungkan biaya produk awal yang relatif tinggi - grafit, menjadi jelas bahwa metode ini memiliki keterbatasan mendasar. Banyak peneliti percaya bahwa tidak mungkin mengurangi harga fullerene yang dihasilkan dengan metode kristalisasi kimia di bawah beberapa dolar per gram. Oleh karena itu, upaya sejumlah kelompok penelitian ditujukan untuk mencari metode alternatif untuk memproduksi fullerene. Keberhasilan terbesar di bidang ini dicapai oleh perusahaan Mitsubishi, yang sebagaimana disebutkan di atas, berhasil membangun produksi industri fullerene dengan membakar hidrokarbon dalam nyala api. Harga fullerene tersebut adalah sekitar $5/gram ( tahun 2005), yang sama sekali tidak mempengaruhi biaya fullerene busur listrik.

Perlu dicatat bahwa tingginya harga fullerene ditentukan tidak hanya oleh rendahnya hasil pembakaran grafit, tetapi juga oleh sulitnya mengisolasi, memurnikan dan memisahkan massa fullerene yang berbeda dari karbon hitam. Pendekatan yang biasa dilakukan adalah dengan mencampur karbon hitam yang dihasilkan dengan membakar grafit toluena atau pelarut organik lainnya (yang mampu melarutkan fullerene secara efektif), kemudian campuran tersebut disaring atau disuling menjadi alat sentrifugal, dan sisa larutan diuapkan. Setelah pelarut dihilangkan, endapan kristal halus berwarna gelap tetap ada - campuran fullerene, biasanya disebut fullerite. Komposisi fullerite meliputi berbagai formasi kristal: kristal kecil molekul C 60 dan C 70 dan kristal C 60 / C 70 yang merupakan larutan padat. Selain itu, fullerite selalu mengandung sejumlah kecil fullerene yang lebih tinggi (hingga 3%). Pemisahan campuran fullerene menjadi fraksi molekul individu dilakukan dengan menggunakan kromatografi cair pada kolom dan kromatografi cair tekanan tinggi (HPLC). Yang terakhir ini digunakan terutama untuk menganalisis kemurnian fullerene yang diisolasi, karena sensitivitas analitik metode HPLC sangat tinggi (hingga 0,01%). Terakhir, tahap terakhir adalah penghilangan residu pelarut dari sampel padat fullerene. Hal ini dilakukan dengan menjaga sampel pada suhu 150-250 o C dalam kondisi vakum dinamis (sekitar 0,1 torr).

Sifat fisik dan signifikansi penerapan fullerene

orang fuller

Sistem terkondensasi yang terdiri dari molekul fullerene disebut fullerit. Sistem yang paling banyak dipelajari dari jenis ini adalah kristal C 60, lebih sedikit lagi sistem kristal C 70. Studi tentang kristal fullerene yang lebih tinggi terhambat oleh kerumitan pembuatannya. Atom karbon dalam molekul fullerene terikat σ- dan ikatan π, sedangkan tidak ada ikatan kimia (dalam arti kata biasa) antara molekul fullerene individu dalam kristal. Oleh karena itu, dalam sistem terkondensasi, masing-masing molekul mempertahankan individualitasnya (yang penting ketika mempertimbangkan struktur elektronik kristal). Molekul disimpan dalam kristal oleh pasukan van der Waals, menentukan sebagian besar sifat makroskopik C 60 padat.

Pada suhu kamar, kristal C 60 mempunyai bentuk kubik berpusat muka (fcc) memarut dengan konstanta 1,415 nm, tetapi dengan penurunan suhu, terjadi transisi fase orde pertama (T cr ≈260 K) dan kristal C 60 mengubah strukturnya menjadi kubik sederhana (konstanta kisi 1,411 nm). Pada suhu T > Tcr, molekul C60 berputar secara kacau di sekitar pusat kesetimbangannya, dan ketika suhu turun hingga suhu kritis, kedua sumbu rotasi membeku. Pembekuan rotasi sempurna terjadi pada 165 K. Struktur kristal C 70 pada suhu urutan suhu kamar dipelajari secara rinci dalam karya ini. Sebagai berikut dari hasil penelitian ini, kristal jenis ini memiliki kisi berpusat pada tubuh (bcc) dengan sedikit campuran fase heksagonal.

Sifat optik nonlinier fullerene

Analisis struktur elektronik fullerene menunjukkan adanya sistem elektron π, yang memiliki nilai kerentanan nonlinier yang besar. Fullerenes memang mempunyai sifat optik nonlinier. Namun, karena simetri molekul C 60 yang tinggi, pembentukan harmonik kedua hanya mungkin terjadi jika asimetri dimasukkan ke dalam sistem (misalnya, oleh medan listrik eksternal). Dari sudut pandang praktis, kecepatan operasi yang tinggi (~250 ps), yang menentukan penekanan generasi harmonik kedua, merupakan hal yang menarik. Selain itu, fullerene C 60 mampu menghasilkan harmonik ketiga.

Area lain yang mungkin digunakan untuk fullerene dan, pertama-tama, C 60 adalah penutup optik. Kemungkinan penggunaan bahan ini pada panjang gelombang 532 nm telah dibuktikan secara eksperimental. Waktu respons yang singkat memungkinkan penggunaan fullerene sebagai pembatas radiasi laser dan sakelar Q. Namun, karena sejumlah alasan, fullerene sulit bersaing dengan bahan tradisional di sini. Biaya tinggi, kesulitan dalam mendispersikan fullerene dalam gelas, kemampuan untuk teroksidasi dengan cepat di udara, koefisien kerentanan nonlinier yang jauh dari rekor, dan ambang batas yang tinggi untuk membatasi radiasi optik (tidak cocok untuk pelindung mata) menciptakan kesulitan serius dalam pertarungan melawan bahan pesaing.

Mekanika kuantum dan fullerene

Fullerene terhidrasi (HyFn); (C 60 @(H 2 O)n)

Larutan berair C 60 HyFn

Fullerene terhidrasi C 60 - C 60 HyFn adalah kompleks supramolekul hidrofilik kuat yang terdiri dari molekul fullerene C 60 yang tertutup cangkang hidrasi pertama, yang mengandung 24 molekul air: C 60 @(H 2 O) 24. Cangkang hidrasi terbentuk karena interaksi donor-akseptor pasangan elektron bebas elektron oksigen molekul air dengan pusat akseptor elektron pada permukaan fullerene. Pada saat yang sama, molekul air yang berorientasi dekat permukaan fullerene saling berhubungan melalui jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi. Ukuran C 60 HyFn setara dengan 1,6-1,8 nm. Saat ini, konsentrasi maksimum C60 berupa C60 HyFn yang tercipta dalam air setara dengan 4 mg/ml. Foto larutan berair C 60 HyFn dengan konsentrasi C 60 0,22 mg/ml di sebelah kanan.

Fullerene sebagai bahan untuk teknologi semikonduktor

Kristal molekul fullerene adalah semikonduktor dengan lebar zona terlarang~1,5 eV dan sifat-sifatnya dalam banyak hal mirip dengan semikonduktor lainnya. Oleh karena itu, sejumlah penelitian telah dikaitkan dengan penggunaan fullerene sebagai bahan baru untuk aplikasi tradisional dalam elektronik: dioda, transistor, fotosel, dll. Di sini, keunggulannya dibandingkan silikon tradisional adalah waktu respons fotores yang singkat (satuan ns). Namun, kelemahan yang signifikan adalah pengaruh oksigen terhadap konduktivitas film fullerene dan, akibatnya, diperlukan lapisan pelindung. Dalam hal ini, lebih menjanjikan untuk menggunakan molekul fullerene sebagai perangkat independen berukuran nano dan, khususnya, sebagai elemen penguat.

Fullerene sebagai photoresist

Di bawah pengaruh radiasi tampak (> 2 eV), ultraviolet dan panjang gelombang yang lebih pendek, fullerene berpolimerisasi dan dalam bentuk ini tidak larut dalam pelarut organik. Untuk mengilustrasikan penggunaan fotoresist fullerene, kita dapat memberikan contoh memperoleh resolusi submikron (≈20 nm) ketika mengetsa silikon dengan berkas elektron menggunakan topeng yang terbuat dari film C 60 yang dipolimerisasi.

Aditif Fullerene untuk pertumbuhan film berlian oleh CVD

Kemungkinan menarik lainnya untuk penerapan praktis adalah penggunaan aditif fullerene dalam pertumbuhan film intan menggunakan metode CVD (Chemical Vapour Deposition). Pengenalan fullerene ke dalam fase gas efektif dari dua sudut pandang: meningkatkan laju pembentukan inti intan pada substrat dan memasok bahan penyusun dari fase gas ke substrat. Bahan penyusunnya adalah pecahan C2, yang ternyata merupakan bahan yang cocok untuk pertumbuhan lapisan berlian. Secara eksperimental telah ditunjukkan bahwa laju pertumbuhan film berlian mencapai 0,6 m/jam, 5 kali lebih tinggi dibandingkan tanpa penggunaan fullerene. Untuk persaingan nyata antara intan dan semikonduktor lain dalam mikroelektronika, perlu dikembangkan metode heteroepitaxy film intan, namun pertumbuhan film kristal tunggal pada substrat non-berlian tetap menjadi masalah yang tidak terpecahkan. Salah satu cara yang mungkin untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan lapisan penyangga fullerene antara substrat dan film berlian. Prasyarat untuk penelitian ke arah ini adalah daya rekat fullerene yang baik pada sebagian besar bahan. Ketentuan di atas sangat relevan sehubungan dengan penelitian intensif terhadap berlian untuk digunakan dalam mikroelektronika generasi mendatang. Performa tinggi (kecepatan drift jenuh tinggi); Konduktivitas termal maksimum dan ketahanan kimia dibandingkan bahan lain yang diketahui menjadikan berlian sebagai bahan yang menjanjikan untuk elektronik generasi berikutnya.

Senyawa superkonduktor dengan C 60

Kristal molekul fullerene adalah semikonduktor, tetapi pada awal tahun 1991 ditemukan bahwa doping C60 padat dengan sejumlah kecil logam alkali menyebabkan pembentukan bahan dengan konduktivitas logam, yang pada suhu rendah berubah menjadi superkonduktor. Paduan dengan C 60 dilakukan dengan mengolah kristal dengan uap logam pada suhu beberapa ratus derajat Celcius. Dalam hal ini terbentuk struktur tipe X 3 C 60 (X adalah atom logam alkali). Logam interkalasi pertama adalah kalium. Transisi senyawa K 3 C 60 ke keadaan superkonduktor terjadi pada suhu 19 K. Ini merupakan nilai rekor superkonduktor molekuler. Segera diketahui bahwa banyak fullerit yang diolah dengan atom logam alkali dengan perbandingan X 3 C 60 atau XY 2 C 60 (atom X,Y) memiliki superkonduktivitas logam alkali). Pemegang rekor di antara superkonduktor suhu tinggi (HTSC) jenis ini adalah RbCs 2 C 60 - Tcr = 33 K.

Pengaruh penambahan kecil karbon hitam fullerene pada sifat antifriction dan antiwear PTFE

Perlu dicatat bahwa kehadiran fullerene C 60 dalam pelumas mineral memulai pembentukan film pelindung fullerene full-length dengan ketebalan 100 nm pada permukaan counterbody. Film yang terbentuk melindungi terhadap kerusakan termal dan oksidatif, meningkatkan masa pakai unit gesekan dalam situasi darurat sebanyak 3-8 kali lipat, stabilitas termal pelumas hingga 400-500ºС dan daya dukung unit gesekan sebanyak 2-3 kali lipat, memperluas kisaran tekanan pengoperasian unit gesekan sebesar 1,5 -2 kali, mengurangi waktu berjalannya benda penyeimbang.

Aplikasi fullerene lainnya

Aplikasi menarik lainnya termasuk baterai dan baterai listrik, yang dalam satu atau lain cara menggunakan bahan tambahan fullerene. Dasar dari baterai ini adalah katoda litium yang mengandung fullerene yang diselingi. Fullerene juga dapat digunakan sebagai bahan aditif untuk menghasilkan berlian buatan dengan metode tekanan tinggi. Dalam hal ini, hasil berlian meningkat sebesar ≈30%. Fullerenes juga dapat digunakan di apotek untuk membuat obat baru. Selain itu, fullerene telah digunakan sebagai bahan tambahan pada cat tahan api intumescent (intumescent). Karena masuknya fullerene, cat membengkak di bawah pengaruh suhu selama kebakaran, membentuk lapisan busa-kokas yang cukup padat, yang beberapa kali meningkatkan waktu pemanasan hingga suhu kritis struktur yang dilindungi. Fullerene dan berbagai turunan kimianya juga digunakan dalam kombinasi dengan polimer semikonduktor polikonjugasi untuk pembuatan sel surya.

Sifat kimia fullerene

Fullerene, meskipun tidak ada atom hidrogen, dapat diganti seperti biasa

Seseorang harus melindungi rumahnya dari hujan dan dingin; taman Anda dari hama; udara dari gas buang; air dari pengotor yang berasal dari industri yang merugikan, yaitu seseorang yang hidup di lingkungannya harus melindungi habitatnya dari ciptaan tangannya sendiri, dari “dirinya sendiri”.

Siapa yang akan menyelamatkan seseorang? Kecantikan?

Menurut para ilmuwan, ada jenis tertentu yang bisa membuat keberadaan kita lebih mudah.

Inilah keindahan molekul karbon poliatomik yang disebut "fullerene".

Fullerene adalah molekul tidak biasa yang bentuknya menyerupai bola sepak. Seperti bola, bagian dalamnya berlubang dan mereka bahkan ingin menyebutnya “sepak bola”, tetapi tidak mungkin bermain sepak bola dengan fullerene, karena ukurannya 1 nanometer, yaitu sepersejuta meter.

Fullerene adalah modifikasi karbon keempat yang sebelumnya tidak diketahui (tiga yang pertama adalah grafit, intan, karbon). Ditemukan pada tahun 1985, secara tidak sengaja. Ahli kimia dan astrofisika Inggris Harold Kroto, ketika mempelajari debu antarbintang, menjadi tertarik pada partikel karbon yang ada di sana. Karena kesulitan menganalisisnya, ia meminta bantuan rekan Amerika Robert Curl dan Richard Smalley, yang mengerjakan penguapan zat menggunakan laser. Ketiganya memulai bisnis dengan antusias. Menguapkan grafit untuk mendapatkan partikel yang diinginkan, mereka terkejut menemukan molekul karbon yang tidak diketahui dalam residunya, mirip dengan bola sepak. Bagi Harold Kroto, penggagas cerita ini, cangkang molekul baru ini mengingatkan pada karya terkenal arsitek Amerika R.B. Fuller - kubah geodesik paviliun Amerika di pameran dunia EXPO-67. Kroteau mengusulkan penamaan partikel baru untuk menghormati Fuller. Dari sinilah muncul kata “fullerene”.

Para peneliti segera mengirimkan pesan tentang penemuan mereka ke jurnal Nature.

Penemuan molekul baru telah membangkitkan minat yang luar biasa dalam penelitian lebih lanjut. “Ledakan fullerene” terjadi, yang mengarah pada penciptaan nanoteknologi, dan dengan bantuan mereka, pengembangan bahan dan senyawa yang sebelumnya tidak terlihat yang ditujukan untuk berbagai bidang sains, teknologi, kedokteran, dan farmakologi.

Pada tahun 1996, R. Curl, H. Croto, R. Smalley menerima Hadiah Nobel Kimia untuk penemuan fullerene. Fullerene telah membuat revolusi nyata! Dan, meskipun sejauh ini hasilnya hanya terlihat dalam ilmu pengetahuan dan teknologi, revolusi dalam bidang kedokteran tidak lama lagi akan terjadi.

Revolusi terdiri dari lompatan kualitatif dari mikro..., sepersejuta meter, ke nano..., sepersejuta meter. Prospek untuk memperoleh zat baru dengan menggunakan nanoteknologi dan, tentu saja, munculnya pengobatan nano (“nano” dalam terjemahan berarti “kurcaci”) terbuka di hadapan kita. Anda mungkin belum melihat kata “pengobatan nano” dalam kamus, tetapi industri ini telah menyatakan haknya untuk hidup.

Kecil tapi tepat:

Mari kita perhatikan sifat-sifat fullerene dari sudut pandang penerapannya dalam pengobatan.

Salah satu sifat yang paling luar biasa dari zat-zat ini adalah bahwa mereka mampu menciptakan larutan air. Dengan memasukkan fullerene paling stabil (disebut C60) ke dalam molekul air, para ilmuwan mampu menciptakan lingkungan berair yang sangat mirip dengan lingkungan di sel-sel tubuh yang sehat. Air dengan fullerene bawaan menetralkan radikal bebas, yaitu antioksidan. Radikal bebas merupakan penyebab banyak penyakit. Molekul yang terbentuk di tubuh kita merusak kromosom dan menyebabkan penuaan sel, kanker, dan penurunan kekebalan. Mereka dilawan oleh antioksidan - zat bermanfaat yang bergabung dengan radikal bebas dan mencegah efek merusaknya.

Antioksidan konvensional merupakan zat yang mempunyai aksi tunggal dan hanya sekali pakai. Katakanlah sebuah molekul vitamin, jika digabungkan dengan radikal bebas, membentuk senyawa yang tidak berbahaya dan tidak dapat digunakan lagi. Satu molekul per radikal? Tidak banyak! Dan bola fullerene tahan lama: tetap dimainkan sepanjang waktu, memiliki khasiat ajaib dalam menarik radikal bebas. Selain itu, radikal yang “melekat” tersebut bergabung satu sama lain dan membentuk zat yang tidak berbahaya. Berkat kehadiran fullerene, proses ini menjadi sangat cepat, dan kemudian kaum radikal yang malang keluar dari permainan secara massal. Larutan Fullerene berkali-kali lebih efektif dibandingkan antioksidan konvensional. Sementara itu, para peneliti mengatakan bahwa fullerene bukanlah obat dalam arti biasa, karena obat membantu mengobati penyakit tertentu, dan larutan fullerene bekerja lebih luas, ke seluruh tubuh.

Obat dengan awalan “nano”

Kemungkinan bola nano ini benar-benar tidak ada habisnya dan tidak terbatas pada perang melawan radikal bebas saja. Fullerene mampu menciptakan seluruh rangkaian senyawa bioaktif. Dengan mengisi rongga fullerene dengan zat penyembuh, Anda dapat mengarahkan bola ini, seperti ke dalam saku, ke titik yang diperlukan. Fullerene semacam itu, yang secara bercanda disebut sebagai fullerene, dapat digunakan untuk mengantarkan antibiotik, vitamin, dan hormon ke sel yang sakit. Upaya yang sangat gigih sedang dilakukan untuk menciptakan obat fullerene untuk pengobatan penyakit otak. Untuk pertama kalinya di dunia, antioksidan fullerene untuk pengobatan sel otak yang rusak disintesis di Universitas Tel Aviv. Penggunaannya sejauh ini telah membuahkan hasil positif dalam percobaan dengan hewan. Pengembangan lebih lanjut dari teknik ini untuk pengobatan multiple sclerosis dan penyakit Alzheimer diharapkan. Eksperimen sedang dilakukan dengan fullerene untuk menghantarkan obat melalui kulit tanpa menggunakan suntikan. Metode sedang dikembangkan untuk menghancurkan genom virus yang menembus sel hidup menggunakan fullerene yang maha kuasa. Upaya penggunaan fullerene sebagai penawar racun cukup menjanjikan. Kita bisa melanjutkannya untuk waktu yang lama... Penelitian tentang obat fullerene untuk melawan kanker sedang dilakukan di seluruh dunia dan hasilnya memberi kita harapan!

Sangat disayangkan bahwa salah satu penemunya, Richard Smalley, tidak dapat menyaksikan kemenangan akhir dari bola nano pemberi kehidupan. Dia meninggal pada tahun 2005.

Penelitian mengenai penyembuhan formasi karbon terus berlanjut, meskipun belum melampaui batas laboratorium.

Batu tulis dan fullerene:

Penemuan-penemuan luar biasa sering kali dikelilingi oleh legenda pada awalnya, dan tampaknya penemuan-penemuan tersebut dapat menghasilkan keajaiban.

Di Rusia, “demam fullerene” dimulai pada akhir tahun 90-an abad lalu. Itu dikaitkan dengan batuan serpih berkarbon - shungite, yang endapannya ditemukan di Karelia.

Menurut salah satu versi, ahli geologi Soviet S. Tsipursky, setelah mengetahui penemuan fullerene, memindahkan shungite, yang ia bawa dari Karelia, untuk penelitian ke laboratorium Universitas Arizona di Amerika. Hasil penelitian yang dilakukan dengan partisipasi Tsipursky sendiri ini dipublikasikan dalam sebuah artikel di jurnal ilmiah pada tahun 1992. Dikatakan bahwa kandungan fullerene yang tidak signifikan sebenarnya ditemukan di shungite. Hal ini menjadi sensasi, mendorong penelitian lebih lanjut terhadap shungite untuk tujuan pengobatan.

Namun, sudah lama ada legenda tentang khasiat penyembuhan shungite. Batu tulis dengan warna hitam yang tidak menyenangkan ini disebut batu tulis di masa lalu. Kemudian ia menerima nama "shungite" - dari desa Shunga di Karelia, di mana mata air dengan air penyembuhan mengalir melalui endapan batu ini. Orang tua setempat mengatakan bahwa shungite dapat menyembuhkan ratusan penyakit. Menurut legenda, wanita bangsawan Ksenia Romanova, yang diasingkan ke wilayah ini oleh Boris Godunov, disembuhkan dari berbagai penyakit di sini. Ini adalah ibu dari Tsar Rusia pertama Mikhail Fedorovich. Untuk mengenangnya, mata air ajaib itu diberi nama "Kunci Tsarevich". Namun, setelah Ksenia dibebaskan, mereka melupakannya. Ksenia Romanova adalah nenek buyut Peter yang Agung dan, mungkin, legenda keluarga tentang khasiat penyembuhan batu tulis sampai padanya. Mungkin batu itu juga memiliki sifat antiseptik. Dengan satu atau lain cara, ada informasi bahwa Peter memerintahkan untuk menyimpan batu tulis di ransel tentara dan menurunkannya ke dalam panci berisi air, “untuk menjaga kekuatan perutnya.” Para prajurit tentara Swedia yang kalah dalam Pertempuran Poltava jelas tidak mampu mempertahankan “benteng perut” tersebut: pada musim panas tahun 1709, mereka cukup terpukul oleh wabah disentri yang merebak saat itu.

Batuan shungite digunakan dalam konstruksi dan metalurgi, dan baru-baru ini shungite telah berhasil digunakan dalam filter untuk pemurnian air.

Pada tahun 2003, sepuluh tahun setelah publikasi sensasional pertama, sebuah artikel diterbitkan di Journal of American Geological Society, yang melaporkan bahwa pemeriksaan menyeluruh tidak mengkonfirmasi keberadaan fullerene dalam shungite. Selain itu, meskipun batu itu ada di sana, efek penyembuhannya tidak akan dihasilkan oleh batu itu sendiri, tetapi oleh larutan airnya.

Elektronik Organik:

Para ilmuwan di Institut Teknologi Georgia, sebagai hasil penelitian mereka, telah menciptakan matriks transistor efek medan berkecepatan tinggi berdasarkan fullerene C60.

Profesor Bernard Kippelen mencatat bahwa semikonduktor organik adalah material yang benar-benar baru, modern, dan sangat menjanjikan dalam nanoelektronik.

Cakupan nanoelektronik organik sangat luas: mulai dari display dan papan reklame elektronik aktif, hingga tag RFID dan komputer fleksibel.

Nanokosmetik: sel kecantikan:

Nanoteknologi masih dipelajari, tetapi seluruh lini produk kosmetik telah muncul yang menggunakan khasiat fullerene yang luar biasa. Pada kemasan produk tersebut biasanya tertulis: “mengandung fullerene” atau “mengandung C60” (ini adalah molekul paling stabil dari golongan ini). Produsen mengklaim bahwa krim dengan fullerene secara signifikan memperbaiki kondisi kulit dewasa, memperlambat proses penuaan, serta menjaga elastisitas dan kesegaran wajah.

Dalam pengawasan:

Nanomedicine adalah arah yang benar-benar baru dalam memerangi penyakit. Dan meskipun ide dan proyeknya masih dalam tahap penelitian laboratorium, tidak ada keraguan bahwa masa depan adalah milik pengobatan nano.

Menegaskan keadilan kesetaraan | n | − | e | + | f | = 2 (\gaya tampilan |n|-|e|+|f|=2)(Di mana | n | , | e | (\gaya tampilan |n|,|e|) Dan | f | (\gaya tampilan |f|) masing-masing, jumlah simpul, tepi, dan sisi), syarat yang diperlukan adalah adanya tepat 12 sisi segi lima dan n / 2 − 10 (\gaya tampilan n/2-10) wajah heksagonal. Jika molekul fullerene, selain atom karbon, juga mengandung atom unsur kimia lain, maka jika atom unsur kimia lain terletak di dalam kerangka karbon, fullerene tersebut disebut endohedral, jika di luar disebut eksohedral.

Sejarah penemuan

Fullerene di alam

Setelah diperoleh di laboratorium, fullerene ditemukan pada beberapa sampel shungites Karelia Utara pada fulgurites Amerika Serikat dan India, meteorit dan sedimen dasar yang umurnya mencapai 65 juta tahun.

Fullerene juga ditemukan dalam jumlah besar di luar angkasa: pada tahun 2010 dalam bentuk gas, pada tahun 2012 - dalam bentuk padat.

Sifat struktural

Pembentukan molekul karbon berupa ikosahedron terpotong mempunyai massa 720 a. e.m. Dalam molekul fullerene, atom karbon terletak di simpul segi enam dan segi lima, yang membentuk permukaan bola atau ellipsoid. Anggota keluarga fullerene yang paling simetris dan paling banyak dipelajari adalah fullerene (C 60), di mana atom karbon membentuk ikosahedron terpotong, terdiri dari 20 segi enam dan 12 segi lima dan menyerupai bola sepak (sebagai bentuk ideal, sangat jarang di alam). Karena setiap atom karbon dari fullerene C 60 secara bersamaan termasuk dalam dua segi enam dan satu segi lima, semua atom dalam C 60 adalah setara, yang dikonfirmasi oleh spektrum resonansi magnetik nuklir (NMR) dari isotop 13 C - ia hanya mengandung satu garis. Namun, tidak semua obligasi C-C memiliki panjang yang sama. Ikatan C=C yang merupakan persekutuan sisi pada kedua segi enam adalah 1,39 Å, dan ikatan C-C yang persekutuan pada segi enam dan segi lima lebih panjang dan sama dengan 1,44 Å. Selain itu, ikatan tipe pertama adalah rangkap, dan ikatan kedua adalah tunggal, yang penting untuk kimia fullerene C60. Faktanya, studi tentang sifat-sifat fullerene yang diperoleh dalam jumlah besar menunjukkan distribusi sifat objektifnya (aktivitas kimia dan penyerapan) menjadi 4 isomer fullerene yang stabil, ditentukan secara bebas oleh waktu keluar yang berbeda dari kolom penyerapan cairan resolusi tinggi. kromatografi. Selain itu, massa atom keempat isomernya setara - ia memiliki massa 720 a. makan.

Yang paling umum berikutnya adalah fullerene C 70, yang berbeda dari fullerene C 60 dengan penyisipan sabuk 10 atom karbon ke daerah ekuator C 60, akibatnya molekul 34 memanjang dan menyerupai bola rugby. membentuk.

Disebut demikian fullerene yang lebih tinggi, mengandung lebih banyak atom karbon (hingga 400), terbentuk dalam jumlah yang jauh lebih kecil dan seringkali memiliki komposisi isomer yang agak kompleks. Di antara fullerene tinggi yang paling banyak dipelajari, kita dapat menyoroti C N , N=74, 76, 78, 80, 82 dan 84.

Perpaduan

Fullerene pertama diisolasi dari uap grafit terkondensasi yang diperoleh dengan iradiasi laser sampel grafit padat. Faktanya, ini adalah jejak substansinya. Langkah penting berikutnya diambil pada tahun 1990 oleh W. Kretschmer, Lamb, D. Huffman dan lain-lain, yang mengembangkan metode untuk memproduksi fullerene dalam jumlah gram dengan membakar elektroda grafit dalam busur listrik di atmosfer helium pada tekanan rendah. Selama erosi anoda, jelaga yang mengandung sejumlah fullerene mengendap di dinding ruangan. Jelaga dilarutkan dalam benzena atau toluena dan dari larutan yang dihasilkan sejumlah gram molekul C60 dan C70 diisolasi dalam bentuk murni dengan perbandingan 3:1 dan sekitar 2% fullerene yang lebih berat. Selanjutnya, dimungkinkan untuk memilih parameter optimal untuk penguapan elektroda (tekanan, komposisi atmosfer, arus, diameter elektroda), di mana hasil fullerene tertinggi dicapai, rata-rata 3-12% dari bahan anoda, yaitu pada akhirnya menentukan tingginya harga fullerene.

Pada awalnya, semua upaya para peneliti untuk menemukan cara yang lebih murah dan produktif untuk menghasilkan fullerene dalam jumlah gram (pembakaran hidrokarbon dalam nyala api, sintesis kimia, dll.) tidak membuahkan hasil dan metode “arc” tetap menjadi yang paling produktif untuk jangka waktu tertentu. lama (produktivitas sekitar 1 g/jam) . Selanjutnya, Mitsubishi berhasil memulai produksi industri fullerene dengan membakar hidrokarbon, tetapi fullerene tersebut mengandung oksigen, dan oleh karena itu metode busur masih merupakan satu-satunya metode yang cocok untuk memproduksi fullerene murni.

Mekanisme pembentukan fullerene dalam busur masih belum jelas, karena proses yang terjadi di daerah pembakaran busur tidak stabil secara termodinamika, yang sangat memperumit pertimbangan teoritisnya. Hanya mungkin untuk membuktikan secara tak terbantahkan bahwa fullerene dirakit dari atom karbon individu (atau fragmen C2). Sebagai buktinya, grafit 13 C yang sangat murni digunakan sebagai elektroda anoda, elektroda lainnya terbuat dari grafit 12 C biasa. Setelah ekstraksi fullerene, NMR menunjukkan bahwa atom 12 C dan 13 C terletak secara acak di permukaan. dari fullerene. Hal ini menunjukkan penguraian bahan grafit menjadi atom individu atau fragmen tingkat atom dan selanjutnya dirakit menjadi molekul fullerene. Keadaan ini memaksa kami untuk meninggalkan gambaran visual pembentukan fullerene akibat pelipatan lapisan grafit atom menjadi bola tertutup.

Peningkatan yang relatif pesat dalam jumlah total instalasi untuk memproduksi fullerene dan pekerjaan terus-menerus untuk meningkatkan metode pemurniannya telah menghasilkan penurunan yang signifikan dalam biaya C 60 selama 17 tahun terakhir - dari 10 ribu menjadi 10-15 dolar per gram , yang telah membawa mereka ke titik penggunaan industri yang nyata.

Sayangnya, meskipun metode Huffman-Kretschmer (HK) telah dioptimalkan, tidak mungkin meningkatkan hasil fullerene lebih dari 10-20% dari total massa grafit yang terbakar. Karena biaya produk awal yang relatif tinggi - grafit, metode ini memiliki keterbatasan mendasar. Banyak peneliti percaya bahwa tidak mungkin mengurangi harga fullerene yang dihasilkan dengan metode kristalisasi kimia di bawah beberapa dolar per gram. Oleh karena itu, upaya sejumlah kelompok penelitian ditujukan untuk mencari metode alternatif untuk memproduksi fullerene. Keberhasilan terbesar di bidang ini dicapai oleh perusahaan Mitsubishi, yang berhasil membangun produksi industri fullerene dengan membakar hidrokarbon dalam nyala api. Harga fullerene tersebut adalah sekitar $5/gram (2005), yang sama sekali tidak mempengaruhi harga fullerene busur listrik.

Perlu dicatat bahwa tingginya harga fullerene ditentukan tidak hanya oleh rendahnya hasil pembakaran grafit, tetapi juga oleh sulitnya mengisolasi, memurnikan dan memisahkan massa fullerene yang berbeda dari karbon hitam. Pendekatan yang biasa dilakukan adalah sebagai berikut: jelaga yang diperoleh dari pembakaran grafit dicampur dengan toluena atau pelarut organik lainnya (yang mampu melarutkan fullerene secara efektif), kemudian campuran tersebut disaring atau disentrifugasi, dan sisa larutan diuapkan. Setelah pelarut dihilangkan, endapan kristal halus berwarna gelap tetap ada - campuran fullerene, biasanya disebut fullerite. Komposisi fullerite meliputi berbagai formasi kristal: kristal kecil molekul C 60 dan C 70 dan kristal C 60 / C 70 yang merupakan larutan padat. Selain itu, fullerite selalu mengandung sejumlah kecil fullerene yang lebih tinggi (hingga 3%). Pemisahan campuran fullerene menjadi fraksi molekul individu dilakukan dengan menggunakan kromatografi cair pada kolom dan kromatografi cair tekanan tinggi (HPLC). Yang terakhir ini digunakan terutama untuk menganalisis kemurnian fullerene yang diisolasi, karena sensitivitas analitik metode HPLC sangat tinggi (hingga 0,01%). Terakhir, tahap terakhir adalah penghilangan residu pelarut dari sampel padat fullerene. Hal ini dilakukan dengan menjaga sampel pada suhu 150-250 °C dalam kondisi vakum dinamis (sekitar 0,1 Torr).

Sifat fisik dan nilai aplikasi

orang fuller

Sistem terkondensasi yang terdiri dari molekul fullerene disebut fullerites. Sistem yang paling banyak dipelajari dari jenis ini adalah kristal C 60, lebih sedikit lagi sistem kristal C 70. Studi tentang kristal fullerene yang lebih tinggi terhambat oleh kerumitan pembuatannya.

Atom karbon dalam molekul fullerene dihubungkan oleh ikatan σ- dan π, sedangkan tidak ada ikatan kimia (dalam arti kata biasa) antara masing-masing molekul fullerene dalam kristal. Oleh karena itu, dalam sistem terkondensasi, masing-masing molekul mempertahankan individualitasnya (yang penting ketika mempertimbangkan struktur elektronik kristal). Molekul tertahan di dalam kristal oleh gaya van der Waals, yang sangat menentukan sifat makroskopis C60 padat.

Pada suhu kamar, kristal C 60 memiliki kisi kubik berpusat muka (fcc) dengan konstanta kisi 1,415 nm, tetapi seiring penurunan suhu, terjadi transisi fase orde pertama (Tcr ≈260) dan kristal C 60 berubah strukturnya menjadi kubik sederhana (konstanta kisi 1,411 nm). Pada suhu T > Tcr, molekul C60 berputar secara kacau di sekitar pusat kesetimbangannya, dan ketika suhu turun hingga suhu kritis, kedua sumbu rotasi membeku. Pembekuan rotasi sempurna terjadi pada 165 K. Struktur kristal C 70 pada suhu urutan suhu kamar dipelajari secara rinci dalam karya ini. Sebagai berikut dari hasil penelitian ini, kristal jenis ini memiliki kisi berpusat pada tubuh (bcc) dengan sedikit campuran fase heksagonal.

Sifat optik nonlinier

Mekanika kuantum dan fullerene

Fullerene terhidrasi (HyFn); (C 60 (H 2 O)n)

Fullerene terhidrasi C 60 - C 60 HyFn adalah kompleks supramolekul hidrofilik kuat yang terdiri dari molekul fullerene C 60 yang tertutup cangkang hidrasi pertama, yang mengandung 24 molekul air: C 60 (H 2 O) 24. Cangkang hidrasi terbentuk karena interaksi donor-akseptor pasangan elektron bebas elektron oksigen molekul air dengan pusat akseptor elektron pada permukaan fullerene. Dalam hal ini, molekul air yang berorientasi dekat permukaan fullerene dihubungkan satu sama lain melalui jaringan ikatan hidrogen tiga dimensi. Ukuran C 60 HyFn setara dengan 1,6-1,8 nm. Saat ini, konsentrasi maksimum C60 berupa C60 HyFn yang tercipta dalam air setara dengan 4 mg/ml. [ periksa tautannya] Foto larutan berair C 60 HyFn dengan konsentrasi C 60 0,22 mg/ml di sebelah kanan.

Fullerene sebagai bahan untuk teknologi semikonduktor

Kristal molekul fullerene adalah semikonduktor dengan celah pita ~1,5 eV dan sifat-sifatnya dalam banyak hal mirip dengan semikonduktor lainnya. Oleh karena itu, sejumlah penelitian telah dikaitkan dengan penggunaan fullerene sebagai bahan baru untuk aplikasi tradisional dalam elektronik: dioda, transistor, fotosel, dll. Di sini, keunggulannya dibandingkan silikon tradisional adalah waktu respons fotores yang singkat (satuan ns). Namun, kelemahan yang signifikan adalah pengaruh oksigen terhadap konduktivitas film fullerene dan, akibatnya, diperlukan lapisan pelindung. Dalam hal ini, lebih menjanjikan untuk menggunakan molekul fullerene sebagai perangkat independen berukuran nano dan, khususnya, sebagai elemen penguat.

Fullerene sebagai photoresist

Aditif Fullerene untuk pertumbuhan film berlian oleh CVD

Kemungkinan menarik lainnya untuk penerapan praktis adalah penggunaan aditif fullerene dalam pertumbuhan film intan menggunakan metode CVD (Chemical Vapour Deposition). Pengenalan fullerene ke dalam fase gas efektif dari dua sudut pandang: meningkatkan laju pembentukan inti intan pada substrat dan memasok bahan penyusun dari fase gas ke substrat. Bahan penyusunnya adalah pecahan C2, yang ternyata merupakan bahan yang cocok untuk pertumbuhan lapisan berlian. Secara eksperimental telah ditunjukkan bahwa laju pertumbuhan film berlian mencapai 0,6 µm/jam, 5 kali lebih tinggi dibandingkan tanpa penggunaan fullerene. Untuk persaingan nyata antara intan dan semikonduktor lain dalam mikroelektronika, perlu dikembangkan metode heteroepitaxy film intan, namun pertumbuhan film kristal tunggal pada substrat non-berlian tetap menjadi masalah yang tidak terpecahkan. Salah satu cara yang mungkin untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan lapisan penyangga fullerene antara substrat dan film berlian. Prasyarat untuk penelitian ke arah ini adalah daya rekat fullerene yang baik pada sebagian besar bahan. Ketentuan di atas sangat relevan sehubungan dengan penelitian intensif terhadap berlian untuk digunakan dalam mikroelektronika generasi mendatang. Performa tinggi (kecepatan drift jenuh tinggi); Konduktivitas termal maksimum dan ketahanan kimia dibandingkan bahan lain yang diketahui menjadikan berlian sebagai bahan yang menjanjikan untuk elektronik generasi berikutnya.

Senyawa superkonduktor dengan C 60

Kristal molekul fullerene adalah semikonduktor, tetapi pada awal tahun 1991 ditemukan bahwa doping C60 padat dengan sejumlah kecil logam alkali mengarah pada pembentukan bahan dengan konduktivitas logam, yang pada suhu rendah menjadi superkonduktor. Paduan dengan C 60 dilakukan dengan mengolah kristal dengan uap logam pada suhu beberapa ratus derajat Celcius. Dalam hal ini terbentuk struktur tipe X 3 C 60 (X adalah atom logam alkali). Logam pertama yang diinterkalasi adalah kalium. Transisi senyawa K 3 C 60 ke keadaan superkonduktor terjadi pada suhu 19 K. Ini merupakan nilai rekor superkonduktor molekuler. Segera diketahui bahwa banyak fullerit yang diolah dengan atom logam alkali dengan perbandingan X 3 C 60 atau XY 2 C 60 (X,Y adalah atom logam alkali) memiliki superkonduktivitas. Pemegang rekor di antara superkonduktor suhu tinggi (HTSC) jenis ini adalah RbCs 2 C 60 - Tcr = 33 K.

Pengaruh penambahan kecil karbon hitam fullerene pada sifat antifriction dan antiwear PTFE

Perlu dicatat bahwa kehadiran fullerene C 60 dalam pelumas mineral memulai pembentukan film polimer fullerene pelindung setebal 100 nm pada permukaan badan penyeimbang. Film yang terbentuk melindungi terhadap kerusakan termal dan oksidatif, meningkatkan masa pakai unit gesekan dalam situasi darurat sebanyak 3-8 kali lipat, stabilitas termal pelumas hingga 400-500 °C dan daya dukung unit gesekan sebanyak 2-3 kali lipat, memperluas rentang tekanan operasi unit gesekan sebanyak 1 5-2 kali, mengurangi waktu berjalannya benda penyeimbang.

Aplikasi lain

Selain itu, fullerene telah digunakan sebagai bahan tambahan pada cat tahan api intumescent (intumescent). Karena masuknya fullerene, cat membengkak di bawah pengaruh suhu selama kebakaran, membentuk lapisan busa-kokas yang cukup padat, yang beberapa kali meningkatkan waktu pemanasan hingga suhu kritis struktur yang dilindungi.

Fullerene dan berbagai turunan kimianya juga digunakan dalam kombinasi dengan polimer semikonduktor polikonjugasi untuk pembuatan sel surya.

Sifat kimia

Fullerene, meskipun tidak ada atom hidrogen yang dapat digantikan seperti senyawa aromatik konvensional, masih dapat difungsikan dengan berbagai metode kimia. Misalnya, reaksi seperti reaksi Diels-Alder, reaksi Prato, dan reaksi Bingel telah berhasil digunakan untuk fungsionalisasi fullerene. Fullerene juga dapat dihidrogenasi untuk membentuk produk dari C 60 H 2 hingga C 60 H 50.

Signifikansi medis

Antioksidan

Fullerene adalah antioksidan paling kuat yang dikenal saat ini. Rata-rata, efeknya melebihi semua antioksidan yang diketahui sebelumnya sebanyak 100-1000 kali lipat. Hal ini diyakini karena mereka mampu memperpanjang umur rata-rata tikus dan cacing gelang secara signifikan. Mereka ditemukan secara alami di shungite dan udara laut. Diasumsikan bahwa fullerene C60, yang dilarutkan dalam minyak zaitun, dapat dimasukkan ke dalam membran lipid bilayer sel dan mitokondria dan bertindak sebagai antioksidan yang dapat digunakan kembali.

Penciptaan obat baru

Fullerene juga dapat digunakan dalam farmakologi untuk membuat obat baru. Oleh karena itu, pada tahun 2007, penelitian dilakukan yang menunjukkan bahwa zat ini mungkin menjanjikan untuk pengembangan obat anti alergi.

Melawan HIV

Berbagai turunan fullerene telah terbukti menjadi agen yang efektif dalam pengobatan human immunodeficiency virus: protein yang bertanggung jawab atas penetrasi virus ke dalam sel darah - protease HIV-1 - memiliki rongga berbentuk bola dengan diameter 10 , berbentuk yang tetap konstan dengan semua mutasi. Ukuran ini hampir sama dengan diameter molekul fullerene. Turunan fullerene telah disintesis yang larut dalam air. Ini memblokir pusat aktif protease HIV, yang tanpanya pembentukan partikel virus baru tidak mungkin terjadi.

Catatan

Sidorov L.N., Ioffe I.N. Fullerenes endohedral // Jurnal Pendidikan Soros, 2001, No.8, hal.31
Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien SC, dkk. Al. C 60: Buckminsterfullerene // Alam 318, 162 (1985) DOI:10.1038/318162a0
Osawa E. Kagaku (Kyoto), V.25, P.854 (1971); kimia. Abstrak. V.74 (1971)
Bochvar D.A., Galpern E.G. Tentang sistem hipotetis: carbododecahedron, s-icosahedrane dan carbo-s-icosahedron // Laporan Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet. - 1973. - T.209, No.3. - Hal.610.
Hadiah Nobel Kimia tahun 1996
Buseck P.R., Tsipursky S.J., Hettich R. Fullerene dari Lingkungan Geologi (Bahasa Inggris) // Sains. (1992) 257(5067): 215-217 DOI: 10.1126/sains.257.5067.215
Yushkin N.P.. Struktur supramolekul globular shungite: data dari pemindaian mikroskop terowongan. // DAN. (1994) 337(6): 800-803.
V.A. Reznikov. Yu.S.Polekhovsky. Karbon shungite amorf adalah media alami untuk pembentukan fullerene. // Surat untuk JETP. (2000) 26(15): 94-102.