Fullerene - X'inhu dan? Proprjetajiet u applikazzjoni ta 'fullerenes

Il-forma molekulari tal-karbonju jew il-modifika altropika tagħha, fullerene, hija serje twila ta 'raggruppamenti atomiċi Cn (n> 20), li huma polyhedra magħluqa konvessi mibnija minn atomi tal-karbonju u li għandhom uċuħ pentagonali jew eżagonali (hawnhekk huma ftit eċċezzjonijiet). L-atomi tal-karbonju fis-fullerenes mhux sostitwiti għandhom tendenza li jkunu fl-istat sp ^2- hybrid bin-numru ta 'koordinazzjoni 3. B'hekk, sistema saturata konjugata mhux saturata hija ffurmata skont it-teorija tal-valence bonds.

Deskrizzjoni ġenerali

Il-forma termodinamikament aktar stabbli tal-karbonju f'kundizzjonijiet normali hija l-grafita, li tidher bħal munzell ta 'folji tal-grafil li ma tantx huma konnessi ma' xulxin: kannizzaturi ċatti li jikkonsistu f'ċelloli eżagonali, fejn l-atomi tal-karbonju jinsabu fuq nett. Kull wieħed minnhom huwa mqabbad ma 'tliet atomi ġirien, u r-raba' elettroni tal-valenza jifforma pi-system. Għalhekk, il-fullerene huwa biss forma molekulari bħal din, jiġifieri l-istampa ta 'l-istat sp ^2- hybrid hija ovvja. Jekk jintroduċu difetti ġeometriċi fil-folja tal-grafil, struttura magħluqa hija inevitabbilment iffurmata. Per eżempju, difetti bħal dawn huma ċikli ta 'ħames membri (faċċati pentagonali), imqassma bl-istess mod flimkien ma' kimika tal-karbonju eżagonali.

It-teorema ta 'Euler jgħid li huwa possibbli li jinkiseb polyhedron magħluq b'vertiċi tliet koordinati billi tintroduċi tnax-il pentagonu, irrispettivament min-numru ta' uċuħ eżagonali. Għalhekk, id-daqs minimu ta 'fullerene huwa formalment dodecahedron C ₂₀ . Madankollu, il-kurvatura ta 'strutturi bħal dawn li għandhom numru żgħir ta' atomi tal-karbonju hija għolja, u għalhekk għall-istat sp ^2- hybrid mhuwiex ta 'benefiċċju kbir, peress li l-karbonju jippreferi l-koordinazzjoni ċatta. Huwa għalhekk li l-iżgħar fil-forma pura tal-fullerene li tirriżulta hija C ₆₀ , li għandha l-istruttura ta 'icosahedron regolari maqtugħ. Fiha l-uċuħ eżagonali huma separati minn xulxin mill-pentagonali kollha. Il-kimika ta 'fullerenes titlob dan il-fatt ir-regola ta' pentagoni iżolati, u kull fullerene reali josservah.

Formula

Fullerene idratat huwa nnominat C ₆₀ (C ₆₀ HyFn). Dan huwa kumpless idrofiliku supramolekulari qawwi, li jikkonsisti minn molekula waħda ta 'fullerene C ₆₀ fl-ewwel qoxra tal-idrant u erbgħa u għoxrin molekula tal-ilma. Dan huwa l-fullerene, li l-formula tiegħu hija C ₆₀ (H ₂ O) ₂₄ . Din tikkonsisti f'ħames hexagons u tnax-il pentagonu, li jixbħu 'l barra ballun tal-futbol. Barra minn hekk, numru ta 'fulerenes jikkumplimentaw C ₇₀ , għax m'hemmx strutturi intermedji fejn il-pentagoni kollha jkunu iżolati. Tibda b'C _{78, l} -istruttura tal-fullerene tagħmilha possibbli li jiġu osservati bosta iżomeri stabbli f'kull skeletru tal-karbonju. Teoretikament, huwa pjuttost possibbli li jkun hemm fullerenes b'aromi tal-karbonju ta 'kwalunkwe numru ugwali, "fulerenes ogħla".

Il-produzzjoni ta 'fullerenes isseħħ l-aktar ta' spiss permezz ta 'metodu ta' ark elettriku jew raġġ ta 'elettroni, kif ukoll permezz ta' bexx bil-lejżer tal-grafita f'atmosfera ta 'elju. In-nugrufun li jikkondensa fuq il-wiċċ tar-reattur jiġi ttrattat fil-benżin jagħli, toluene, xylene jew solventi organiċi oħra. Is-soluzzjoni tevapora, li tifforma kondensat iswed, minn għaxra sa ħmistax fil-mija li jikkonsisti minn fullerenes C ₇₀ u C ₆₀ , kif ukoll numru żgħir ħafna ta 'fullerenes ogħla.

Ir-relazzjoni bejn il-furellans differenti tista 'tvarja, tiddependi fuq il-parametri ta' sinteżi, iżda ġeneralment C ₆₀ tipprevali, huwa aktar minn bosta drabi. Fost l-ogħla, l-aktar huma C ₇₈ , C ₇₆ u C ₈₄ . Fl-istess stampa, is-sehem ta 'fullerene fil-prodotti kollha ta' sinteżi qiegħed jonqos. Dan x'aktarx minħabba l-probabbiltà baxxa ta 'assemblaġġ ta' strutturi kbar minn clusters żgħar li ġew evaporati inizjalment.

Ilma bil-fulerenes

L-aktar komuni u studjat b'mod wiesa 'huwa C ₆₀ , fejn hemm erbgħa u għoxrin molekula ta' l-ilma għal kull molekula tas-sustanza nnifisha. Din il-molekula fullerene għandha simetrija għolja, hemm l-atomi kollha huma ekwivalenti. Il-forma sferika tagħha hija ffurmata mid-distanza min-nukleu ta 'l-atomi għaċ-ċentru f'madwar 0,36 nm u raġġ ta' madwar 0.5 nm. Jiġi ffurmat kristall molekulari, fejn il-molekuli jiffurmaw kannizzata kubika kkonċentrata fuq il-wiċċ, ippakkjar sferiku densi ta 'tliet saffi. F'temperaturi għoljin, C ₆₀ sublimi mingħajr ma tifforma fażi likwida. Ta 'l-aħjar ħaġa, tinħall f'sustanzi aromatiċi b'solventi bħal disulfide tal-karbonju, u fil-polari - ħafna agħar. Il-forma tawwalija elvalwata C ₇₀ , bħall-fulerenes ogħla, għandha proprjetajiet fiżiċi mill-qrib ħafna għal C ₆₀ .

U fil-qasam tal-kimika, huma kollha ħafna aktar ġenerużi u jagħtu kull opportunità biex jiksbu klassijiet differenti ta 'derivattivi tagħhom: metallofullerenes, heterofullerenes. Il-familja ta 'prodotti ta' adeżjoni exoendral (barra l-barra) hija aktar sinjura minn kulhadd, minħabba li kull atomu tal-karbonju huwa ċentru ta 'reazzjoni aċċessibbli. Dawn huma l-proprjetajiet tal-fulerenes. Huma magħquda billi joħolqu prodotti ġodda, atomi ta 'aloġeni u idroġenu, radikali organiċi, anke ż-żieda ta' ċikli tista 'sseħħ. Għalhekk, materjali polimeriċi li fihom fullerenes u komposti multi-sferi huma miksuba. K C ₆₀ jingħaqad ma 'tmienja u erbgħin sostitwenti mingħajr ma jeqred l-iskeletru tal-karbonju. B'hekk, pereżempju, jinkiseb C ₆₀ F ₄₈ , u ħafna komposti bħal dawn ġew żviluppati, fejn il-bażi hija fullerenes.

Applikazzjoni

Kważi fullerenes huma interessanti f'żoni kompletament differenti. Minħabba l-proprjetajiet elettroniċi tagħhom, nistgħu nikkunsidraw lilhom infushom u d-derivattivi tagħhom bħala semikondutturi. Is-Fullerenes jassorbu r-radjazzjoni ultravjola sew, għandhom kapaċità għolja li telimina l-elettroni. Dawn il-proprjetajiet kollha jippermettu l-użu tagħhom fil-fotovoltajċi, il-fotosensuri, il-batteriji solari, l-apparat elettroniku molekulari differenti. Il-fulerenes fil-mediċina jintużaw bħala aġenti antivirali u antimikrobiċi, bħala aġenti fit-terapija fotodinamika, eċċ.

It-teknoloġiji tal-preżent ippermettew li jżidu n-numru totali ta 'installazzjonijiet relattivament malajr, sabiex jiksbu aktar fullerenes, u metodi għall-purifikazzjoni tagħhom qed jaħdmu wkoll aħjar u b'mod aktar effiċjenti. Huwa għalhekk li l-ispiża, pereżempju, ta 'C ₆₀ naqset b'mod sinifikanti matul l-aħħar ħmistax-il sena (minn għaxart elef sa għaxra jew ħmistax-il dollaru kull gramma). Issa qed niffaċċjaw is-sitwazzjoni, meta għal użu industrijali reali, il-fulerenes jaqgħu fil-persuna. L-applikazzjoni tagħhom tikber u tinfirex jum b'jum.

Informazzjoni dwar il-ftuħ

Il-fullerenes jissejjħu wara l-arkitett u l-inġinier famuż Richard Buckminster Fuller, li, skont il-prinċipju tal-istruttura tagħhom, vvintaw kostruzzjonijiet ġeodesiċi. Għall-ewwel din il-klassi ta 'komposti kienet limitata għal strutturi li kienu jinkludu biss aspetti ta' sitt u pentagonali. Jekk fil-molekula ta 'fullerene minbarra l-karbonju hemm atomi preżenti ta' elementi kimiċi oħra, u jinsabu ġewwa l-karkassa tal-karbonju, dawn il-fulerenes jissejħu endohedral. Jekk l-atomi ta 'elementi oħra jinsabu barra, allura l-fulerenes huma exohedral. L-ismijiet tagħhom din il-forma molekulari ġiet riċevuta sa ftit żmien ilu - fl-1985, meta grupp ta 'riċerkaturi għamlu l-iskoperta ta' fullerene bla mistenni. Żgħar, Kroto, Curle u kimiċi oħra studjaw pari tal-grafita, li nkisbu bl-ablazzjoni bil-lejżer (irradjazzjoni) ta 'solidu. Ġew identifikati l-qċaċet li kellhom amplitudni massima li tikkorrispondi għal clusters ta 'atti tas-sittin u sebgħin karbonju.

Allura l-molekuli C ₆₀ u C ₇₀ ġew ikkalkulati, u ġiet ippreżentata ipoteżi li l-ewwel molekula hija miksija fil-forma ta 'icosahedron maqtugħ. Hija l-aktar C ₆₀ komuni msejħa baxminsterfulleren, u l-molekuli li jifdal huma sempliċement fullerenes.

Ix-xjentisti-kimiċi kienu jafu sewwa fl-arkitettura u ftakar lil Fuller, li bniet domes fuq il-bini b'dan il-mod - pentagoni, separati minn hexagons, li hija l-bażi tal-istruttura molekulari ta 'assolutament il-fulerenes kollha. Madankollu, din hija storja affaxxinanti, u mingħajr preistorja interessanti ma għamlitx. Xi ftit qabel kien miktub dwar il-possibbiltà tal-eżistenza ta 'molekuli bħal dawn fil-Ġappun (1971), u ġiet akkwistata u ppubblikata ġustifikazzjoni teoretika fl-USSR (1973). Madankollu, kien Kroto, Curl u Small li rċevew il -Premju Nobel fil-Kimika.

Natura u teknoloġija

Il-preparazzjoni ta 'fulereni f'forma pura hija possibbli b'sintesi artifiċjali. Dawn il-komposti jkomplu jiġu studjati b'mod intensiv f'pajjiżi differenti, u jistabbilixxu l-kondizzjonijiet li taħthom isseħħ il-formazzjoni tagħhom, kif ukoll l-istruttura ta 'fullerenes u l-proprjetajiet tagħhom huma kkunsidrati. L-isfera ta 'l-applikazzjoni tagħhom qed tinfirex dejjem aktar. Irriżulta li ammont sinifikanti ta 'fulerenes jinsab fin-nugrufun, li huwa ffurmat fuq elettrodi tal-grafita b'ark discharge. Aktar kmieni dan il-fatt sempliċement ma deherx.

Meta fullerenes kienu miksuba taħt kondizzjonijiet tal-laboratorju, molekuli tal-karbonju bdew jinstabu fin-natura. F'Karelia dawn instabu f'kampjuni ta 'schungites, fl-Indja u fl-Istati Uniti - f'forulgites. Ħafna u ħafna drabi hemm molekuli tal-karbonju fil-meteorites u s-sedimenti fil-qiegħ, li għandhom mill-inqas sittin u ħames miljun sena. Fuq id-Dinja, fullerenes puri jistgħu jiffurmaw waqt it-tnixxija tas-sajjetti u waqt il-kombustjoni tal-gass naturali. Kienu studjati kampjuni ta 'l-arja meħuda fuq il-Baħar Mediterran fl-2011, u rriżulta li fullerene huwa preżenti fil-kampjuni kollha meħuda - minn Istanbul għal Barċellona. Il-proprjetajiet fiżiċi ta 'din is-sustanza jikkawżaw formazzjoni spontanja. Ukoll, l-ammonti kbar tiegħu jinstabu fl-ispazju - kemm fl-istat tal-gass kif ukoll fi stat solidu.

Sinteżi

L-ewwel esperimenti dwar is-separazzjoni ta 'fullerenes seħħew permezz ta' fwar tal-grafita kondensat, li nkiseb permezz ta 'laser irradjazzjoni ta' kampjuni tal-grafita solida. Kien possibbli li jinkisbu biss traċċi ta 'fullerenes. Biss fl-1990 il-kimiċi Huffman, Lamb u Kretchmer żviluppaw metodu ġdid għall-produzzjoni ta 'fulerenes fi kwantitajiet ta' grammi. Kienet tikkonsisti f'elettrodi tal-grafita li jaħarqu b'ark elettriku f'atmosfera ta 'elju u bi pressjoni baxxa. Kien hemm erożjoni tal-anodu, u n-nugrufun li kien fih fullerenes deher fuq il-ħitan tal-kamra.

Imbagħad in-nugrufun kien maħlul f'toluene jew benżina, u fil-grammi tas-soluzzjoni li rriżultaw ġew iżolati f'forma pura tal-molekoli C ₇₀ u C ₆₀ . Il-proporzjon huwa 1: 3. Barra minn hekk, is-soluzzjoni kienet fiha żewġ fil-mija ta 'fulerenes tqal ta' ordni ogħla. Issa kienet kwistjoni żgħira: li jintgħażlu l-aħjar parametri għall-evaporazzjoni - il-kompożizzjoni tal-atmosfera, il-pressjoni, id-dijametru tal-elettrodi, il-kurrent, eċċ. Huma ammontaw għal madwar tnax fil-mija tal-materjal tal-anodu nnifsu. Dik hija għaliex l-ispiża ta 'fullerenes tant hija għolja.

Produzzjoni

It-tentattivi kollha ta 'xjenzati sperimentali fl-ewwel kienu vain: metodi produttivi u rħas biex jinkisbu fullerenes ma kinux. La ħruq fil-fjamma ta 'l-idrokarburi u lanqas is-sinteżi kimika ma wasslu għas-suċċess. Il-metodu ta 'l-ark elettriku baqa' l-aktar produttiv, li jippermetti li wieħed jikseb madwar gramma ta 'fullerenes fis-siegħa. Mitsubishi waqqaf il-produzzjoni industrijali billi jaħrab idrokarburi, iżda l-fulerenes tagħhom mhumiex nodfa - fihom molekuli ta 'ossiġnu. U l-mekkaniżmu tal-formazzjoni ta 'din is-sustanza nnifisha tibqa' mhux ċara, minħabba li l-proċessi tal-kombustjoni tal-ark huma estremament instabbli mil-lat termodinamiku, u dan ixekkel ħafna t-trattament tat-teorija. Konfutabbli biss il-fatti li fullerene jiġbor atomi individwali tal-karbonju, jiġifieri, frammenti ta 'C ₂ . Madankollu, stampa viżwali tal-formazzjoni ta 'din is-sustanza ma ġietx iffurmata.

L-ispiża għolja ta 'fullerenes hija determinata mhux biss mir-rendiment baxx matul il-kombustjoni. Iżolament, purifikazzjoni, separazzjoni ta 'fullerenes ta' mases differenti minn nugrufun - dawn il-proċessi kollha huma pjuttost ikkumplikati. Speċjalment dan jikkonċerna s-separazzjoni tat-taħlita f'frazzi molekulari separati, li jitwettqu permezz ta 'kromatografija likwida fuq kolonni u bi pressjoni għolja. Fl-aħħar stadju, jitneħħew ir-residwi tas-solvent mill-fulerene diġà solidu. Għal dan il-għan, il-kampjun jinżamm f'kondizzjonijiet dinamiċi tal-vakwu f'temperatura ta 'sa mitejn u ħamsin grad. Iżda l-plus huwa li matul l-iżvilupp ta 'Fullerene C ₆₀ u l-produzzjoni tiegħu fi kwantitajiet żgħar diġà, il-kimika organika kibret minn fergħa indipendenti - il-kimika ta' fullerenes, li saret oerhört popolari.

Benefiċċji

Derivattivi ta 'fulerenes jintużaw f'diversi oqsma ta' l-inġinerija. Films u kristalli fullerene huma semikondutturi li jippossedu photoconductivity taħt irradjazzjoni ottika. Il-kristalli C ₆₀ , jekk ikunu dopati b'atomi tal-metall alkali, isiru superkonduttivi. Is-soluzzjonijiet ta 'Fullerene għandhom proprjetajiet ottiċi mhux lineari, għalhekk jistgħu jintużaw bħala l-bażi ta' għeluq ottiku, li huma meħtieġa għall-protezzjoni kontra radjazzjoni intensa. Ukoll fullerene jintuża bħala katalista għas-sinteżi tad-djamanti. Fulerenes użati b'mod wiesa 'fil-bijoloġija u l-mediċina. Tliet proprjetajiet ta 'dawn il-molekuli jaħdmu hawn: il-lipofiliċità li tiddetermina l-membranotropija, in-nuqqas ta' elettroni li jagħti l-kapaċità li jinteraġixxu ma 'radikali ħielsa, u l-abbiltà li jittrasferixxu l-molekula ta' ossiġnu ordinarju għall-istat eċċitati tagħhom stess u jikkonvertu dan l-ossiġenu f'sindal wieħed.

Tali forom attivi ta 'biomolekoli ta' attakk tas-sustanza: aċidi nuklejċi, proteini, lipidi. Il-forom attivi ta 'ossiġnu huma użati fit-terapija fotodinamika għat-trattament tal-kanċer. Fid-demm tal-pazjent, jiġu injettati fotosensibilizzaturi, li jiġġeneraw forom attivi ta 'ossiġnu - fil-fatt il-fullerenes jew id-derivattivi tagħhom. Il-fluss tad-demm fit-tumur huwa iktar dgħajjef milli f'tessuti b'saħħithom, u għalhekk jakkumulaw ritrattiensitizers fiha u wara l-irradjazzjoni diretta, il-molekuli huma eċċitati, li jiġġeneraw forom attivi ta 'ossiġnu. Iċ-ċelloli tal-kanċer jgħaddu minn apoptożi, u t-tumur huwa meqrud. Barra minn hekk - il-fulerenes għandhom proprjetajiet anti-ossidanti u jaqbdu forom attivi ta 'ossiġenu.

Fullerene jbaxxi l-attività ta 'HIV integrase, proteina li hija responsabbli biex iddaħħal il-virus fid-DNA, tinteraġixxi magħha, tibdel il-konformazzjoni u ċċaħħadha mill-funzjoni primarja ta' tkissir tagħha. Xi wħud mid-derivattivi fullerene jinteraġixxu direttament mad-DNA u jinterferixxu ma 'l-azzjoni ta' restitaz.

Aktar dwar il-mediċina

Fl-2007, il-fulerenes solubbli fl-ilma bdew jintużaw bħala aġenti anti-allerġiċi. L-istudji twettqu fuq ċelluli umani u demm, li kienu esposti għal derivattivi fullerene - C60 (NEt) x u C60 (OH) x. Fl-esperimenti fuq organiżmi ħajjin - ġrieden - ir-riżultati kienu pożittivi.

Diġà, din is-sustanza tintuża bħala vettur tal-kunsinna tad-droga, peress li l-ilma bis-fullerenes (niftakru l-idrofobiċità ta 'C ₆₀ ) jippenetra ħafna l-membrana taċ-ċellula. Per eżempju, eritropojetin, ormon tal-kliewi injettat direttament fid-demm, huwa degradat f'ammonti sinifikanti, u jekk jintuża flimkien ma 'fullerenes, il-konċentrazzjoni tiżdied aktar minn darbtejn, u għalhekk tidħol fiċ-ċellula.