Fulleren je molekulární sloučenina, která je konvexním uzavřeným mnohostěnem složeným ze tří koordinovaných atomů uhlíku . Fullereny vděčí za své jméno inženýru a architektovi Richardu Buckminsterovi Fullerovi , jehož geodetické struktury jsou postaveny na tomto principu. Zpočátku byla tato třída spojů omezena na konstrukce obsahující pouze pětiúhelníkové a šestiúhelníkové plochy. Všimněte si , že pro existenci takového uzavřeného mnohostěnu postaveného z nvrcholy, které tvoří pouze pětiúhelníkové a šestiúhelníkové plochy, podle Eulerovy věty pro mnohostěny , která prosazuje rovnost (kde , respektive počet vrcholů, hran a ploch), nezbytnou podmínkou je přítomnost přesně 12 pětiúhelníkových ploch a šestiúhelníkových ploch . Pokud molekula fullerenu kromě atomů uhlíku obsahuje atomy dalších chemických prvků, pak jsou-li atomy jiných chemických prvků umístěny uvnitř uhlíkové klece, nazývají se takové fullereny endohedrické , pokud vně - exohedrické [1] .
V přírodní formě se nachází v šungitu a mořském vzduchu.
V roce 1985 skupina výzkumníků - Robert Curl , Harold Kroto , Richard Smalley [2] , Heath a O'Brien - studovala hmotnostní spektra grafitových par získaných laserovým ozářením ( ablací ) pevného vzorku a nalezla píky s max. amplituda odpovídající shlukům , skládajícím se z 60 a 70 atomů uhlíku [3] . Navrhli, že tyto píky odpovídají molekulám C60 a C70 , a předpokládali, že molekula C60 má tvar zkráceného dvacetistěnu s Ih symetrií . Polyedrické uhlíkové shluky se nazývají fullereny a nejběžnější molekulou C 60 je buckminsterfulleren (také nazývaný buckyball nebo buckyball , anglicky buckyball ) [2] , pojmenován po americkém architektovi Buckminsteru Fullerovi , který používal pěti- a šestiúhelníky, které jsou hlavní strukturní prvky molekulárních struktur všech fullerenů.
Je třeba poznamenat, že objev fullerenů má svou prehistorii: možnost jejich existence byla předpovězena již v roce 1971 v Japonsku [4] a teoreticky doložena v roce 1973 v SSSR [5] . Za objev fullerenů byli Kroto, Smalley a Curl v roce 1996 oceněni Nobelovou cenou za chemii [6] . Jediným způsobem, jak získat fullereny v současnosti (říjen 2007), je jejich umělá syntéza. Řadu let byly tyto sloučeniny intenzivně studovány v laboratořích v různých zemích a snažili se stanovit podmínky pro jejich vznik, strukturu, vlastnosti a možné aplikace. Zejména bylo zjištěno, že fullereny jsou ve značném množství obsaženy v sazích vzniklých při obloukovém výboji na grafitových elektrodách [2] - dříve si jich prostě nikdo nevšiml (viz níže ).
Po získání v laboratorních podmínkách byly fullereny nalezeny v některých vzorcích šungitu ze Severní Karélie [7] [8] [9] ve fulguritech USA a Indie [10] , meteoritech [11] a dnových sedimentech , jejichž stáří dosahuje 65 milionů let [12] .
Na Zemi se fullereny tvoří při spalování zemního plynu a výbojích blesků [13] . V létě 2011 byly zveřejněny výsledky studií vzorků vzduchu nad Středozemním mořem : fullereny byly nalezeny ve všech 43 vzorcích vzduchu odebraných z Barcelony do Istanbulu [14] .
Fullereny byly také ve velkém množství nalezeny ve vesmíru : v roce 2010 ve formě plynu [15] , v roce 2012 - v pevné formě [16] .
Molekulární formace uhlíku ve formě zkráceného dvacetistěnu má hmotnost 720 amu . e.m. V molekulách fullerenu jsou atomy uhlíku umístěny ve vrcholech šestiúhelníků a pětiúhelníků, které tvoří povrch koule nebo elipsoidu. Nejsymetričtějším a nejúplněji prostudovaným zástupcem rodiny fullerenů je [60]fulleren (C 60 ), ve kterém atomy uhlíku tvoří zkrácený dvacetistěn skládající se z 20 šestiúhelníků a 12 pětiúhelníků a připomínající fotbalový míč (jako ideální tvar extrémně vzácný v přírodě). Vzhledem k tomu, že každý atom uhlíku fullerenu C 60 patří současně ke dvěma šestiúhelníkům a jednomu pětiúhelníku, jsou všechny atomy v C 60 ekvivalentní, což potvrzuje spektrum nukleární magnetické rezonance (NMR) izotopu 13 C - obsahuje pouze jednu čáru. Ne všechny vazby C-C jsou však stejně dlouhé. Vazba C=C, která je společnou stranou pro dva šestiúhelníky, je 1,39 Å a vazba C–C, která je společná pro šestiúhelník a pětiúhelník, je delší a rovná se 1,44 Å [17] . Navíc vazba prvního typu je dvojná a druhého typu je jednoduchá, což je nezbytné pro chemii C 60 fullerenu . Studium vlastností fullerenů získaných ve velkém množství ve skutečnosti ukazuje rozložení jejich objektivních vlastností (chemická a sorpční aktivita) do 4 stabilních fullerenových izomerů [18] , volně určovaných různými výstupními časy ze sorpční kolony vysoko- kapalinový chromatograf s rozlišením. V tomto případě je atomová hmotnost všech 4 izomerů ekvivalentní - má hmotnost 720 amu . jíst.
Dalším nejběžnějším je fulleren C 70 , který se od fullerenu C 60 liší vložením pásu 10 atomů uhlíku do rovníkové oblasti C 60 , v důsledku čehož je molekula 34 protáhlá a svým tvarem připomíná ragbyový míč. .
Takzvané vyšší fullereny obsahující větší počet atomů uhlíku (až 400) vznikají v mnohem menším množství a často mají poměrně složité izomerní složení. Mezi nejvíce studované vyšší fullereny patří Cn , n = 74, 76, 78, 80, 82 a 84.
První fullereny byly izolovány z kondenzovaných grafitových par získaných laserovým ozařováním vzorků tuhého grafitu. Ve skutečnosti to byly stopy látky. Další důležitý krok učinili v roce 1990 V. Kretchmer , Lamb, D. Huffman a další, kteří vyvinuli metodu pro získávání gramových množství fullerenů spalováním grafitových elektrod v elektrickém oblouku v atmosféře helia při nízkých tlacích [19] . V procesu eroze anody se na stěnách komory usazovaly saze obsahující určité množství fullerenů. Saze se rozpustí v benzenu nebo toluenu a z výsledného roztoku se v čisté formě izolují gramová množství molekul C 60 a C 70 v poměru 3:1 a přibližně 2 % těžších fullerenů [20] . Následně bylo možné zvolit optimální parametry vypařování elektrod (tlak, složení atmosféry, proud, průměr elektrody), při kterých je dosaženo nejvyšší výtěžnosti fullerenů v průměru 3–12 % materiálu anody, což v konečném důsledku určuje vysokou náklady na fullereny.
Všechny pokusy experimentátorů najít levnější a efektivnější způsoby, jak získat gramová množství fullerenů (spalování uhlovodíků v plameni [21] , chemická syntéza [22] , atd.) nevedly k úspěchu a „oblouk ” metoda zůstala dlouhodobě nejproduktivnější (produktivita cca 1 g/hod) [23] . Následně se Mitsubishi podařilo zavést průmyslovou výrobu fullerenů spalováním uhlovodíků, ale takové fullereny obsahují kyslík , a proto je oblouková metoda stále jedinou vhodnou metodou pro získání čistých fullerenů.
Mechanismus tvorby fullerenů v oblouku stále zůstává nejasný, protože procesy probíhající v oblasti hoření oblouku jsou termodynamicky nestabilní, což značně komplikuje jejich teoretické úvahy. Bylo nezvratně stanoveno pouze to, že fulleren je sestaven z jednotlivých atomů uhlíku (nebo C2 fragmentů ). Pro důkaz byl jako anodová elektroda použit vysoce čištěný grafit 13 C, druhá elektroda byla vyrobena z běžného grafitu 12 C. Po extrakci fullerenů bylo pomocí NMR prokázáno , že atomy 12 C a 13 C jsou náhodně umístěny na povrch fullerenu. To ukazuje na rozpad grafitového materiálu na jednotlivé atomy nebo fragmenty atomové úrovně a jejich následné sestavení do molekuly fullerenu. Tato okolnost si vynutila opustit vizuální představu o vzniku fullerenů v důsledku skládání vrstev atomárního grafitu do uzavřených koulí.
Poměrně rychlý nárůst celkového počtu zařízení na výrobu fullerenů a neustálá práce na zlepšování metod jejich čištění vedly za posledních 17 let k výraznému snížení nákladů na C 60 - z 10 tisíc na 10-15 dolarů na gram [ 24]
Bohužel i přes optimalizaci Huffman-Kretschmerovy (HK) metody není možné zvýšit výtěžnost fullerenů o více než 10-20 % z celkové hmoty páleného grafitu. Vzhledem k relativně vysoké ceně výchozího produktu, grafitu, má tato metoda zásadní omezení. Mnoho výzkumníků se domnívá, že nebude možné snížit cenu fullerenů získaných metodou XC pod několik dolarů za gram. Snahy řady výzkumných skupin proto směřují k nalezení alternativních metod získávání fullerenů. Největšího úspěchu dosáhla v této oblasti firma Mitsubishi , které se podařilo zavést průmyslovou výrobu fullerenů spalováním uhlovodíků v plameni. Cena takových fullerenů je asi 5 dolarů za gram ( 2005 ), což neovlivnilo cenu fullerenů v elektrickém oblouku.
Je třeba poznamenat, že vysoká cena fullerenů je dána nejen jejich nízkou výtěžností při spalování grafitu, ale také obtížností izolace, čištění a separace fullerenů různých hmotností ze sazí. Obvyklý postup je následující: saze získané pálením grafitu se smíchají s toluenem nebo jiným organickým rozpouštědlem (schopným účinně rozpouštět fullereny), poté se směs zfiltruje nebo odstředí a zbývající roztok se odpaří. Po odstranění rozpouštědla zůstane tmavá jemně krystalická sraženina - směs fullerenů, obvykle nazývaná fullerit. Složení fulleritu zahrnuje různé krystalické útvary: malé krystaly molekul C 60 a C 70 a krystaly C 60 / C 70 jsou pevné roztoky. Fullerit navíc vždy obsahuje malé množství vyšších fullerenů (do 3 %). Separace směsi fullerenů na jednotlivé molekulární frakce se provádí pomocí kapalinové chromatografie na kolonách a vysokotlaké kapalinové chromatografie (HPLC). Ten se používá hlavně k analýze čistoty izolovaných fullerenů, protože analytická citlivost metody HPLC je velmi vysoká (až 0,01 %). Konečně posledním stupněm je odstranění zbytků rozpouštědla ze vzorku pevného fullerenu. Provádí se udržováním vzorku při teplotě 150–250 °C za podmínek dynamického vakua (asi 0,1 Torr ).
Kondenzované systémy sestávající z molekul fullerenů se nazývají fullerity . Nejvíce studovaným systémem tohoto druhu je krystal C 60 , méně pak krystalický systém C 70 . Studium krystalů vyšších fullerenů je ztíženo složitostí jejich přípravy.
Atomy uhlíku v molekule fullerenu jsou spojeny σ- a π-vazbami , zatímco mezi jednotlivými molekulami fullerenu v krystalu neexistuje žádná chemická vazba (v obvyklém smyslu slova). Proto si v kondenzovaném systému jednotlivé molekuly zachovávají svou individualitu (což je důležité při zvažování elektronické struktury krystalu). Molekuly jsou v krystalu drženy van der Waalsovými silami , které do značné míry určují makroskopické vlastnosti pevného C 60 .
Krystal C 60 má při pokojových teplotách plošně centrovanou kubickou (fcc) mřížku s konstantou 1,415 nm, ale jak teplota klesá, dochází k fázovému přechodu prvního řádu ( Tcr ≈260 K ) a krystal C 60 se mění její struktura na jednoduchou kubickou (mřížková konstanta 1,411 nm ) [25] . Při teplotě T > Tcr molekuly C 60 náhodně rotují kolem svého středu rovnováhy, a když teplota klesne na kritickou teplotu, obě osy rotace zamrznou. K úplnému zmrazení rotací dochází při 165 K. Krystalová struktura C 70 při teplotách řádově pokojové teploty byla podrobně studována v [26] . Jak vyplývá z výsledků této práce, krystaly tohoto typu mají tělesně centrovanou (bcc) mřížku s malou příměsí hexagonální fáze.
Analýza elektronové struktury fullerenů ukazuje na přítomnost π-elektronových systémů, pro které existují velké hodnoty nelineární susceptibility. Fullereny mají skutečně nelineární optické vlastnosti. Vzhledem k vysoké symetrii molekuly C 60 je však generování druhé harmonické možné pouze tehdy, když je do systému zavedena asymetrie (například vnějším elektrickým polem). Z praktického hlediska je atraktivní vysoká rychlost (~250 ps), která určuje potlačení druhé harmonické generace. Fullereny C 60 jsou navíc schopny generovat třetí harmonickou [17] .
Další možnou oblastí využití fullerenů a především C 60 jsou optické závěrky. Experimentálně byla prokázána možnost použití tohoto materiálu pro vlnovou délku 532 nm [24] . Krátká doba odezvy dává šanci využít fullereny jako omezovače laserového záření a Q -spínače . Fullereny zde však z řady důvodů jen těžko konkurují tradičním materiálům. Vysoká cena, potíže s rozptylováním fullerenů ve skle, schopnost rychlé oxidace na vzduchu, nerekordní koeficienty nelineární susceptibility a vysoký práh pro omezení optického záření (nevhodné pro ochranu zraku) způsobují vážné potíže v boji proti konkurenčním materiálům. .
V roce 1999 vědci z Vídeňské univerzity prokázali použitelnost duality vlna-částice na molekuly fullerenů C 60 [27] [28] .
Hydratovaný fulleren C 60 - C 60 HyFn je silný, hydrofilní supramolekulární komplex sestávající z molekuly fullerenu C 60 uzavřené v prvním hydratačním obalu, který obsahuje 24 molekul vody: C 60 (H 2 O) 24 . Hydratační obal vzniká díky interakci donor-akceptor osamocených párů molekul kyslíku a kyslíku ve vodě s elektron-akceptorovými centry na povrchu fullerenu. V tomto případě jsou molekuly vody orientované blízko povrchu fullerenu propojeny trojrozměrnou sítí vodíkových vazeb. Velikost C 60 HyFn odpovídá 1,6-1,8 nm. V současné době je maximální koncentrace C 60 ve formě C 60 HyFn, která byla vytvořena ve vodě, ekvivalentní 4 mg/ml. [29] [30] [31] [32] [33] [ specifikovat odkaz ]
Molekulární fullerenový krystal je polovodič s zakázaným pásmem ~1,5 eV a jeho vlastnosti jsou do značné míry podobné vlastnostem jiných polovodičů. Řada studií proto souvisí s použitím fullerenů jako nového materiálu pro tradiční aplikace v elektronice: dioda, tranzistor, fotočlánek atd. Zde je jejich výhodou oproti tradičnímu křemíku krátká doba fotoreakce (jednotky ns). Vliv kyslíku na vodivost fullerenových filmů se však ukázal jako podstatná nevýhoda a následně vyvstala potřeba ochranných povlaků. V tomto smyslu je perspektivnější využití molekuly fullerenu jako nezávislého nanoměřítka a zejména jako zesilovacího prvku [34] .
Působením viditelného (> 2 eV), ultrafialového záření a záření kratších vlnových délek fullereny polymerují a v této formě se nerozpouštějí organickými rozpouštědly . Jako ilustraci použití fullerenového fotorezistu lze uvést příklad získání submikronového rozlišení (≈20 nm ) leptáním křemíku elektronovým paprskem pomocí masky z polymerizovaného filmu C 60 [24] .
Další zajímavou možností praktické aplikace je použití fullerenových přísad při růstu diamantových filmů metodou CVD (Chemical Vapour Deposition). Zavádění fullerenů do plynné fáze je účinné ze dvou hledisek: zvýšení rychlosti tvorby diamantových jader na substrátu a přísun stavebních bloků z plynné fáze do substrátu. Fragmenty C 2 působí jako stavební kameny , což se ukázalo jako vhodný materiál pro růst diamantového filmu. Experimentálně bylo prokázáno, že rychlost růstu diamantových filmů dosahuje 0,6 μm/h, což je 5x více než bez použití fullerenů. Pro skutečnou konkurenci diamantů a ostatních polovodičů v mikroelektronice je nutné vyvinout metodu heteroepitaxe diamantových filmů, ale růst monokrystalických filmů na nediamantových substrátech zůstává neřešitelným problémem. Jedním z možných způsobů řešení tohoto problému je použití fullerenové vyrovnávací vrstvy mezi substrátem a diamantovým filmem. Předpokladem výzkumu v tomto směru je dobrá přilnavost fullerenů k většině materiálů. Tato ustanovení jsou zvláště důležitá v souvislosti s intenzivním výzkumem diamantů pro jejich použití v mikroelektronice nové generace. Vysoký výkon (vysoká saturovaná rychlost driftu); Nejvyšší tepelná vodivost a chemická odolnost ve srovnání s jakýmikoli jinými známými materiály činí diamant slibným materiálem pro elektroniku nové generace [24] .
Molekulární fullerenové krystaly jsou polovodiče , nicméně počátkem roku 1991 bylo zjištěno, že dotování pevného C 60 malým množstvím alkalického kovu vede k vytvoření materiálu s kovovou vodivostí, který se při nízkých teplotách stává supravodičem . Dopování 60 se vyrábí úpravou krystalů kovovými parami při teplotách několika set stupňů Celsia. V tomto případě se vytvoří struktura typu X3C60 (X je atom alkalického kovu). Draslík byl prvním kovem , který byl interkalován . K přechodu sloučeniny K 3 C 60 do supravodivého stavu dochází při teplotě 19 K. To je rekordní hodnota pro molekulární supravodiče . Brzy bylo zjištěno, že mnoho fulleritů dotovaných atomy alkalických kovů v poměru buď X 3 C 60 nebo XY 2 C 60 (X, Y jsou atomy alkalických kovů ) má supravodivost. Rekordmanem mezi vysokoteplotními supravodiči (HTSC) těchto typů se ukázal být RbCs 2 C 60 - jeho Tcr = 33 K [35] .
Je třeba poznamenat, že přítomnost fullerenu C 60 v minerálních lubrikantech iniciuje tvorbu ochranného filmu z fullerenového polymeru o tloušťce 100 nm na površích protitěles. Vytvořený film chrání před tepelnou a oxidační degradací, zvyšuje životnost třecích jednotek v nouzových situacích 3–8krát, tepelnou stabilitu maziv do 400–500 °C a únosnost třecích jednotek 2–3krát, rozšiřuje rozsah provozního tlaku třecích jednotek o 1, 5-2 krát, snižuje dobu záběhu protitěles.
Mezi další zajímavé aplikace patří akumulátory a elektrické baterie, ve kterých se tak či onak používají fullerenové přísady. Tyto baterie jsou založeny na lithiových katodách obsahujících interkalované fullereny. Fullereny lze také použít jako přísady pro výrobu umělých diamantů vysokotlakou metodou . V tomto případě se výtěžnost diamantů zvyšuje o ≈30 %.
Kromě toho fullereny našly uplatnění jako přísady do bobtnavých (nadouvajících) protipožárních barev. Vlivem zavádění fullerenů barva vlivem teploty při požáru bobtná, vytváří se poměrně hustá pěno-koksová vrstva, která několikanásobně prodlužuje dobu ohřevu na kritickou teplotu chráněných konstrukcí.
Fullereny a jejich různé chemické deriváty se také používají v kombinaci s polykonjugovanými polovodičovými polymery pro výrobu solárních článků.
Fullereny, navzdory absenci atomů vodíku, které mohou být nahrazeny jako v případě konvenčních aromatických sloučenin , mohou být stále funkcionalizovány různými chemickými metodami. Například takové reakce pro funkcionalizaci fullerenů jako Diels-Alderova reakce , Pratoova reakce a Bingelova reakce byly úspěšně aplikovány . Fullereny lze také hydrogenovat za vzniku produktů od C60H2 do C60H50 .
Fullereny jsou dnes nejsilnější známé antioxidanty . V průměru 100-1000krát převyšují účinek všech jim známých antioxidantů. Předpokládá se, že právě díky tomu jsou schopny významně prodloužit průměrnou délku života potkanů [36] [37] [38] a škrkavek [39] . Předpokládá se, že fulleren C60 rozpuštěný v olivovém oleji může být zabudován do dvouvrstvých lipidových membrán buněk a mitochondrií a působí jako opakovaně použitelný antioxidant [40] .
Fullereny mohou být také použity ve farmakologii k výrobě nových léků. Takže v roce 2007 byly provedeny studie, které ukázaly, že tyto látky mohou být slibné pro vývoj antialergických léků [41] [42] .
Různé fullerenové deriváty se ukázaly jako účinné látky při léčbě viru lidské imunodeficience: protein zodpovědný za pronikání viru do krevních buněk, HIV-1 proteáza, má kulovou dutinu o průměru 10 Ǻ, jejíž tvar zůstává zachován. konstantní pro všechny mutace. Tato velikost se téměř shoduje s průměrem molekuly fullerenu. Byl syntetizován fullerenový derivát, který je rozpustný ve vodě. Blokuje aktivní centrum HIV proteázy, bez kterého je tvorba nové virové částice nemožná [43] .
Alotropie uhlíku | |
---|---|
sp 3 | |
sp 2 | |
sp | Karabina |
smíšený sp 3 / sp 2 | |
jiný |
|
hypotetický |
|
příbuzný |
|