Fullerene - bu nədir? Fullerenlərin xüsusiyyətləri və tətbiqi

Molekulyar karbon forması və ya allotropik modifikasiyası, fulleren, karbon atomlarından hazırlanan və beşbucaqlı və ya altıbucaqlı üzlərə malik olan konveksli polyhedra olan (burada çox az istisnalar var) olan C _n (n> 20) atom kütlələrinin uzun bir sıradır. Sökülmemiş fullerenlərdə karbon atomları koordinasiya sayı 3 ilə sp2-hibrid vəziyyətdədirlər. Beləliklə, valentlik əlaqələri nəzəriyyəsinə görə bir külək konjuge doymamış sistem meydana gəlir.

Ümumi təsviri

Normal şəraitdə ən çox karbonlu termodinamik stabil form grafitdir, bu bir-birinə çətin bir şəkildə bağlanmış bir grafen təbəqələrinin yığını kimi görünür: karbon atomlarının üst hissələrində olduğu altıbucaqlı hüceyrələrdən ibarət olan düz qəfəslər. Onların hər biri üç qonşu atomla əlaqələndirilir və dördüncü valent elektron bir pi-sistem təşkil edir. Beləliklə, fulleren yalnız molekulyar bir forma, yəni sp ^2- qibrit vəziyyətinin görünüşü açıqdır. Əgər geometrik qüsurları graphene təbəqəsinə daxil etsək, qapalı bir quruluş qaçılmazdır. Məsələn, bu kimi qüsurlar beş elementli dövrlərdir (beşbucaqlı üzlər), eyni şəkildə karbon kimya ilə altıbucaqlı paylanmışdır.

Euler teoremi deyir ki, altıbucaqlı üzlərin sayından asılı olmayaraq, on iki pentagonu tətbiq edərək, üç əlaqəli vertikalı qapalı bir polyhedrin əldə etmək mümkündür. Dolayısı ilə, fullerenin minimum ölçüsü formal olaraq Dodecahedron C _20- dir. Bununla belə, az sayda karbon atomuna malik bu strukturların əyri dərəcəsi yüksəkdir və bu səbəblə sp2-qibrit dövləti üçün çox faydalı deyil, çünki karbon düz planlaşdırma üstünlük təşkil edir. Bu səbəbdən ortaya çıxan fullerenin saf formasında ən kiçik olan kəsikli müntəzəm icosahedronun quruluşuna malik olan C _60- dir. Onda altıbucaqlı üzlər bütün beşbucaqlı üzlərlə bir-birindən ayrılır. Fullerenlərin kimyası bu faktı təcrid olunmuş pentagonların üstünlüyünü və hər real fullereni ittiham edir.

Formula

Hidratlı fulleren C ₆₀ (C ₆₀ HyFn) olaraq təyin olunur. Bu, ilk hidrant qabığında və iyirmi dörd su molekülündə bir fulleren C ₆₀ molekulundan ibarət güclü supramolekulyar hidrofilik kompleksdir. Bu formula C ₆₀ (H ₂ O) ₂₄ olan fullerendir. Bu, futbol topuna bənzəyən yirmi altıbucaqdan və on iki pentagandan ibarətdir. Bundan əlavə, bir sıra fullerenlər C _70- ni tamamlayırlar, çünki bütün pentagonların təcrid olunduğu ara quruluş yoxdur. C ₇₈ ilə başlayan fulleren strukturu hər bir karbon iskeletində bir neçə sabit izomerlərin müşahidə edilməsini mümkün edir. Teorik olaraq, hər hansı bir ədəd, daha yüksək fullerenlər olan karbon atomları olan fullerenlər olduqca mümkündür.

Füllerenlərin istehsalı ən çox elektrik arc və ya elektron şüa üsulu ilə, eləcə də helium atmosferində qrafitin lazerlə çökməsi ilə baş verir. Reaktorun səthində konsentrasiya edən qaynaq benzin, toluol, ksilen və ya digər üzvi solventlərdən qaynaqlanır. Çöküntü buxarlanır, qara kondansatör yaradır, C ₇₀ və C ₆₀ fullerenlərdən ibarət olan ondan on beş yüzədək, həmçinin çox az miqdarda yüksək fullerenlərdir.

Müxtəlif furellanlar arasındakı əlaqələr dəyişə bilər, bu sintez parametrlərinə bağlıdır, lakin adətən C ₆₀ üstünlük təşkil edir, bir neçə dəfə çoxdur. Ən yüksək olanlar arasında C ₇₈ , C ₇₆ və C _{84 olur} . Eyni şəkildəki bütün sintez məhsullarında fullerenin payı düşür. Bu, ehtimal ki, başlanğıcda buxarlanmış kiçik kümelenmelerdən böyük strukturların yığılması ehtimalının aşağı olmasıdır.

Fullerenlə su

Ən çox yayılmış və geniş tədqiq edilən C ₆₀ , maddənin molekulyarına iyirmi dörd su molekülü olduğu yerdir. Bu fulleren molekulunun yüksək simmetriyası var, bütün atomlar bərabərdir. Onun külək formalı atomların nüvəsindən mərkəzə qədər təxminən 0,36 nm və təxminən 0,5 nm radius məsafəsi ilə formalaşır. Bir molekulyar kristal meydana gəlmişdir, burada moleküllər kub şəkilli bir kafedə, üç qatlı ən sıx külək qablaşdırma təşkil edir. Yüksək temperaturda C ₆₀ maye faza formalaşmadan sublimasiya edir. Hamısı yaxşıdır, karbon disulfide kimi solventlərlə və qütblü aromatik maddələrdə həll olunur - çox pis. Uzun ellipsid C ₇₀ forması, ali fullerenlər kimi, C _60- a çox yaxın fiziki xüsusiyyətlərə malikdir.

Kimya sahəsində isə bunların hamısı daha səxavətli və onların törəmələrinin müxtəlif sinflərini almaq üçün hər fürsət verir: metallofullerenes, heterofullerenes. Exoendral (xarici-xarici) məhsulun məhsul ailəsi hamısından daha zəngindir, çünki hər bir karbon atomu əlçatan bir reaksiya mərkəzidir. Bunlar fullerenlərin xüsusiyyətləri. Yeni məhsullar, halogenlər və hidrogen atomları, orqanik radikallar yaratmaqla birləşirlər, hətta sikllərin əlavə oluna bilər. Beləliklə fulleren və çox sahəli birləşmələr olan polimer materiallar əldə edilir. K C ₆₀ karbon iskeletini məhv etmədən qırx səkkiz əvəzediciyə qoşulur. Beləliklə, məsələn, C ₆₀ F ₄₈ əldə edilir və əsasları fullerenes olduğu bir çox bu cür birləşmələr hazırlanmışdır.

Ərizə

Demək olar ki fullerenlər tamamilə fərqli sahələrdə maraqlıdır. Elektron xüsusiyyətlərini nəzərə alaraq, biz özləri və yarımkeçiricilər kimi onların törəmələri hesab edə bilərik. Fullerenlər ultrabənövşəyi radiasiyanı yaxşı əmələ gətirirlər, yüksək elektron çıxarma qabiliyyətinə malikdirlər. Bütün bu xüsusiyyətlər fotovoltaik, fotosensor, günəş batareyaları, müxtəlif molekulyar elektronların cihazlarını istifadə etməyə imkan verir. Tibbdə fullerenlər antiviral və antimikrobiyal maddələr, fotodinamik müalicə agentləri və s. Kimi istifadə olunur.

Günümüz texnologiyaları daha çox fulleren əldə etmək üçün qurğuların ümumi sayını nisbətən tez artırmağa imkan verdi və onların təmizlənməsi üçün üsullar daha yaxşı və daha səmərəli işləyir. Buna görə, məsələn, C _60- nın qiyməti son on beş ildə (bir gramda 10 mindən on ya da on beş dollardan) əhəmiyyətli dərəcədə azalıb. İndi biz real sənaye istifadə üçün, fullerenes şəxs daxil düşən vəziyyət ilə qarşı-qarşıyayıq. Onların müraciəti gündən-günə böyüyür və yayılır.

Açılış haqqında məlumat

Fullerenlər, onların strukturunun prinsipinə görə, geodeziya konstruksiyalarını ixtira edən məşhur memar və mühəndis Richard Buckminster Fullerin adını daşıyırlar. Əvvəlcə bu sinif sinifləri yalnız altı və beşbucaqlı fəsildən ibarət strukturlarla məhdudlaşdı. Karbondan başqa fulleren molekulunda başqa kimyəvi elementlərin atomları mövcuddur və karbon karkasının içərisində yerləşirlərsə, bu fullerenlər endohedral adlanır. Digər elementlərin atomları xaricindədirsə, fullerenlər exohedral olur. Bu molekulyar forma adları çoxdan alınıb - 1985-ci ildə, bir qrup tədqiqatçı gözlənilmədən fullereni aşkar etdi. Kiçik, Kroto, Curle və digər kimyaçılar bir qatı laser ablation (radiasiya) ilə əldə edilmiş qrafit cütlərini öyrənmişlər. Altmış və yetmiş karbon atomlarının qruplarına uyğun maksimum amplituda olan zirvələr aşkar edildi.

Beləliklə, C ₆₀ və C ₇₀ molekulları hesablanmışdır və ilk molekulun kəsilmiş bir icosahedron şəklində qurulduğunu bir hipotez təklif edilmişdir. Bu ən çox görülən C ₆₀ adamı baxminsterfulleren və qalan molekullar sadəcə fullerenlərdir.

Alimlər-kimyaçılar, memarlıqda yaxşı bilikli idi və Fullerni xatırladılar ki, bu şəkildə binalar üzərində qübbə qurmuşlar - tamamilə bütün fullerenlərin molekulyar strukturunun təməli olan hexagonlarla ayrılmış pentagonlar. Ancaq bu maraqlı bir hekayə və maraqlı bir prehistoryası olmadı. Əvvəllər Yaponiyada bu tip molekulların mövcudluğunun mümkünlüyü barədə yazılmışdır (1971) və SSRİ-də (1973) nəzəri əsaslandırma əldə edilmiş və nəşr edilmişdir. Buna baxmayaraq, Kimya üzrə Nobel mükafatı almış Kroto, Curl və Kiçik idi .

Təbiət və texnologiya

Sülün sintezi ilə saf formada fullerenlərin hazırlanması mümkündür. Bu birləşmələr fərqli ölkələrdə intensiv olaraq öyrənilməyə davam edir, onların meydana gəlməsi şərtlərini müəyyənləşdirir, fullerenlərin strukturu və xüsusiyyətləri nəzərə alınır. Onların tətbiqi sahəsində daha geniş yayılmışdır. Çuxur boşluğunda grafit elektrodları üzərindəki qurumda əhəmiyyətli miqdarda fullerenlərin olduğu ifadə edildi. Əvvəllər bu fakt sadəcə görüldü.

Laboratoriya şəraitində fullerenlər əldə edildikdə, təbiətdə karbon molekulları tapıldı. Kareliyada şirnaq nümunələrində, Hindistanda və ABŞ-da - furulgitlərdə aşkar edilmişdir. Ən azı altmış beş milyon yaşın altındakı meteorit və çöküntülərdə çox və tez-tez karbon molekulları var. Yerdəki təbii fullerenlər, şimşəklərin axıdılması və təbii qazın yanması zamanı yarana bilərlər. 2011-ci ildə Aralıq dənizinə götürülmüş hava nümunələri tədqiq edilmiş və İstanbuldan Barselona qədər olan bütün nümunələrdə fulleren mövcud olmuşdur. Bu maddənin fiziki xüsusiyyətləri spontan meydana gəlməyə səbəb olur. Həm də, onun böyük məbləğləri məkanda - həm qaz halında, həm də möhkəm vəziyyətdədir.

Sintez

Fullerenlərin ayrılmasına dair ilk təcrübələr qatılaşdırılmış qrafit nümunələrinin lazer irradiasiyası ilə əldə edilmiş qatılaşdırılmış qrafı buxarından meydana gəldi. Yalnız fulleren izlərini əldə etmək mümkün idi. Yalnız 1990-cı ildə kimyacılar Huffman, Lamb və Kretchmer miqdarda fullerenlərin istehsalı üçün yeni bir üsul hazırladı. Helium atmosferində və aşağı təzyiqdə elektrik ark ilə yanan qrafit elektrodları meydana gəldi. Anodun eroziyası müşahidə edildi və kameranın divarlarında fullerenlər olan süfrələr ortaya çıxdı.

Sonra kuka tolüen və ya benzoldə eritildi və nəticədə çıxarılan həll qramları C ₇₀ və C ₆₀ molekullarının saf formada izolyasiya edildi. Riyazi 1: 3dir. Bundan əlavə, həll yüksək səviyyəli ağır fullerenlərin iki faizini təşkil etmişdir. İndi kiçik bir məsələ idi: buxarlanma üçün optimal parametrləri seçmək - atmosferin tərkibini, təzyiqini, elektrodların diametrini, cari və sair, fullerenlərin maksimum məhsuldarlığına nail olmaq üçün. Onlar anod materialının on iki faizini təşkil edirdilər. Buna görə fullerenlərin dəyəri çox yüksəkdir.

İstehsalat

Əvvəlcə təcrübəli alimlərin bütün cəhdləri boş idi: fullerenlərin əldə edilməsi üçün məhsuldar və ucuz yollar yox idi. Karbohidrogenlərin alovunda və kimyəvi sintezdə yanma nə də uğur qazanmadı. Elektrik arc üsulu, ən məhsuldar idi və bir saatda təxminən bir qram fulleren əldə etməyə imkan verdi. Mitsubishi karbohidrogenləri yandıraraq sənaye istehsalını qurdu, lakin onların fullerenləri təmiz deyil - oksigen molekullarını ehtiva edir. Və bu maddənin meydana gəlməsinin mexanizmi aydın deyil, çünki yanma prosesləri termodinamik baxımdan son dərəcə qeyri-sabitdir və bu çox nəzəriyyənin müalicəsinə mane olur. Fulleren fərdi karbon atomlarını, yəni C ₂ fragmanlarını toplayan yalnız faktlara uyğundur. Ancaq bu maddənin meydana gəlməsinin vizual bir görünüşü meydana gəlmədi.

Fullerenlərin yüksək qiyməti yalnız yanma zamanı aşağı məhsulla deyil, yalnız müəyyən edilir. İzolyasiya, təmizlənmə, fərqli kütlələrin fullerenlərdən ayrılması - bu proseslər çox çətinləşir. Xüsusilə qarışığın sütunlarda və yüksək təzyiqlə maye kromatoqrafiyası ilə aparılmış ayrı molekulyar fraksiyalara ayrılması nəzərdə tutulur. Son mərhələdə, artıq qatı fullerenin solvent qalıqları çıxarılır. Bu məqsədlə nümunə dinamik vakuum şəraitində iki yüz əlli dərəcə temperaturda saxlanılır. Amma artıdır ki, fulleren C _60- in inkişafı və makro-miqdarda istehsal edilməsi əsnasında, üzvi kimya müstəqil bir filial - yetərincə populyar hala gələn fullerenlərin kimyası ilə böyüdü.

Faydaları

Fullerenlərin törəmələri müxtəlif mühəndislik sahələrində istifadə olunur. Filmlər və fulleren kristalları optik şüalanma şəraitində photoconductivity malik yarımkeçiricilərdir. Kristal C ₆₀ , əgər onlar alkali metal atomları ilə süpürülsələr, superkondensiv olurlar. Fulleren həlləri qeyri-xətti optik xüsusiyyətlərə malikdir, buna görə də onlar yoğun radiasiyaya qarşı qorunması üçün lazım olan optik örtüklərin əsasları kimi istifadə oluna bilərlər. Həm də elmlərin sintezi üçün katalizator kimi fulleren istifadə olunur. Biologiya və tibbdə geniş istifadə olunan fullerenlər. Bu molekulların üç xassəsi burada işləyir: membranotropiyi müəyyən edən lipofilik, sərbəst radikallarla qarşılıqlı əlaqə qurma qabiliyyətinə malik elektron çatışmazlığı və adi oksigenin molekulyarını öz həyəcanlı vəziyyətinə köçürmək və bu oksigen təklüyə çevirmək qabiliyyəti.

Biolomoleküllərin maddə hücumlarının belə aktiv formaları: nuklein turşuları, proteinlər, lipidlər. Xərçəng müalicəsi üçün fotodinamik müalicədə oksigenin aktiv formaları istifadə olunur. Xəstənin qanında fotosensitizantlar oksigenin aktiv formalarını meydana gətirir - əslində fullerenlər və ya onların törəmələri. Şişdəki qan axımı sağlam toxumlardan daha zəifdir və buna görə də fotosintensiv maddələr onun içində birikir və irradiasiya edildikdən sonra molekullar həyəcanlanır, oksigenin aktiv formalarını yaradırlar. Xərçəng hüceyrələri apoptoza məruz qalır və şiş yıkılır. Bundan əlavə - fullerenlərin antioksidan xüsusiyyətləri vardır və oksigenin aktiv formalarını tutur.

Fullerene, HİV inteqrasiyasının aktivliyini azaldır, bu virusun DNT-yə daxil edilməsi, onunla əlaqə qurma, konformasiya dəyişməsi və onun əsas zərərli funksiyasından məhrum edilməsi üçün məsul olan bir proteindir. Fulleren törəmələrinin bəziləri DNT ilə birbaşa əlaqə qurur və restitazın hərəkətinə müdaxilə edir.

Təbabət haqqında daha çox məlumat

2007-ci ildə suda çözünür fullerenler antiallergik maddələr kimi istifadə edilməyə başlandı. Fulleren törəmələri - C60 (NEt) x və C60 (OH) x-yə məruz qalan insan hüceyrələri və qanla bağlı işlər aparılıb. Canlı orqanizmlər - siçan təcrübələrində - nəticələr müsbət idi.

Artıq bu maddə bir dərman çatdırma vektoru olaraq istifadə olunur, çünki fullerenlərlə su (C _60- nin hidrofobikliyini xatırladırıq) çox asanlıqla hüceyrə membranına nüfuz edir. Məsələn eritropoietin, qana birbaşa vurulan bir böyrək hormonu, əhəmiyyətli miqdarda azalır və fullerenlərlə birlikdə istifadə edildikdə konsentrasiya iki qatdan daha çox artır və bu səbəblə hüceyrəyə daxil olur.