Ffwleren - beth yw hyn? Priodweddau a cheisiadau o fullerenes

Moleciwlaidd ffurf allotropic o garbon neu ei addasu, ffwleren, - llinell hir C _{n (n>} 20) clystyrau atomig, sydd yn cael eu cau polyhedra amgrwm a adeiladwyd o atomau carbon a chael wynebau pumochrog neu chweochrog (yma mae eithriadau prin iawn). atomau carbon yn y fullerenes unsubstituted tueddu i fod yn sp ² cyflwr -Hybrid gyda nifer cydlynu 3. Felly ei ffurfio system annirlawn cyfun sfferig yn ôl damcaniaeth bond falens.

disgrifiad cyffredinol

Mae'r amodau ffurf fwyaf sefydlog thermodynamically dan arferol o garbon - graffit, sy'n edrych fel pentwr prin sy'n gysylltiedig â phob taflenni graphene arall: dellten gwastad, sy'n cynnwys celloedd hecsagonal, lle mae fertigau - atomau carbon. Mae pob un ohonynt yn gysylltiedig â thri atomau cyfagos, ac mae'r pedwerydd electron falens yn ffurfio pi-system. Felly, ffwleren - mae'n union ffurflen moleciwlaidd, hy y sp llun ² -Hybrid wladwriaeth yn amlwg. Os byddwn yn cyflwyno yn y daflen graphene diffygion geometrig yn anochel yn ffurfio strwythur caeedig. Er enghraifft, diffygion o'r fath yn cylchoedd pum membered (wynebau pumochrog), yn union yr un fath, ynghyd â chemeg carbon chweonglog cyffredin.

theorem Euler yn nodi bod cynhyrchu polyhedron caeedig gyda fertigau trohkoordinirovannymi bosibl os byddwn yn cyflwyno deuddeg pentagonau, waeth beth yw nifer yr wynebau chweonglog. Felly, mae'r maint lleiaf o ffwleren - yn ffurfiol C ₂₀ dodecahedron. Fodd bynnag crymedd strwythurau tebyg, cael nifer fach o atomau carbon yn uchel, ac felly i sp ² Nid -Hybrid wladwriaeth yn ffafriol iawn, gan fod carbon yn well cydlynu planar. Dyna pam y mae'r lleiaf yn ei ffurf pur ffwleren gafwyd - yw C _60, ar ôl y strwythur icosahedron blaendor rheolaidd. Ynddo wynebau chweochrog yn cael eu gwahanu oddi wrth ei gilydd yr holl pumochrog. Ffwleren Cemeg yn galw y rheol pentagon ynysig y ffaith hon, ac mae'n amodol ar ffwleren wirioneddol hygyrch.

fformiwla

dynodi Gidrantirovanny C ₆₀ ffwleren (C ₆₀ HyFn). Mae hyn yn gymhleth supramolecular hydroffilig gwydn, sy'n cynnwys un moleciwl o'r ffwleren C ₆₀ yn y hydrant plisgyn cyntaf a phedwar ar hugain moleciwlau dŵr. Mae hyn yn y ffwleren y mae ei fformiwla - C ₆₀ (H ₂ O) _24. Mae'n cynnwys ugain o hecsagonau a deuddeg pentagonau, yn allanol debyg i bêl-droed. Bellach, mae nifer o ffwleren C ₇₀ atchwanegiadau fel strwythurau canolradd, a fyddai'n holl pentagonau yn ynysig, nid yw'n bodoli. Ers C ₇₈ Strwythur ffwleren yn caniatáu i arsylwi nifer o isomerau sefydlog o bob sgerbwd carbon. Yn ddamcaniaethol, mae'n bosibl bod yna fullerenes gyda atomau carbon o unrhyw rif hyd yn oed, "fullerenes uwch".

Mae paratoi fullerenes drwy arc yn digwydd yn fwy aml neu ddull electron-beam a thrwy anweddu laser o graffit mewn awyrgylch heliwm. Huddygl, a oedd yn cyddwyso ar wyneb yr adweithydd, yn cael ei drin yn refluxing bensen, tolwen, xylene neu doddyddion organig eraill. Yr ateb ei anweddu, gan ffurfio cyddwysiad du, deg i bymtheg y cant yn cynnwys C ₇₀ ac C ₆₀ fullerenes yn ogystal â symiau bach iawn o fullerenes uwch.

Efallai y bydd y gymhareb rhwng furellenami gwahanol yn amrywio, yn dibynnu ar y paramedrau synthesis, ond yn nodweddiadol ₆₀ C bodoli, ei fod yn sawl gwaith yn fwy. Ymhlith y C fwyaf uchaf _78, C ₇₆ a C _84. Yn y darlun cyffredinol mae gostyngiad yng nghyfran y ffwleren synthesis o'r holl gynnyrch. Mae hyn oherwydd, yn fwyaf tebygol, gyda thebygolrwydd isel o gydosod strwythurau mawr o glystyrau bach anweddu i ddechrau.

fullerenes Dŵr sy'n cynnwys

Y mwyaf cyffredin a astudiwyd yn helaeth yn C _60, lle mae un moleciwl o sylwedd mewn gwirionedd yn cael pedwar ar hugain o moleciwlau dŵr. Mae gan y moleciwl ffwleren yn cymesuredd uchel, lle mae'r holl atomau yn cyfateb. Ei ffurf sfferig yw'r pellter o ganol y niwclysau atomig i tua 0.36 nm a radiws o tua 0.5 nm. Mae'n ffurfio grisial moleciwlaidd lle moleciwlau yn cael eu canoli yn wyneb dellt ciwbig, tair-haen pacio spherical dwysaf. Ar dymheredd uchel, ₆₀ C sychdarthu heb ffurfio cyfnod hylif. Gorau oll, mae'n ei ddiddymu yn y sylweddau aromatig o'r math o doddyddion disulfide carbon, a pegynol - llawer gwaeth. Mae gan ellipsoidal siâp ₇₀ C hirgul, yn ogystal â fullerenes uwch priodweddau ffisegol debyg iawn i C _60.

Ac ym maes cemeg maent yn llawer mwy hael ac yn rhoi pob cyfle i gael eu gwahanol ddosbarthiadau o deilliadau: Metallofullerenes, heterofullerene. Teulu o gynhyrchion cyfoethocach holl ekzoendralnogo (outer-) cysylltiad, oherwydd bod gan bob atom carbon - safle adwaith sydd ar gael. Mae'r rhain yn y priodweddau fullerenes. Maent yn ymuno drwy greu cynnyrch newydd, atomau halogen a hydrogen, radicaliaid organig, ymlyniad gall hyd yn oed cylchoedd ddigwydd. Felly cael deunyddiau polymer cynnwys fullerenes cyfansawdd Multigrade. ₆₀ K C yn ymuno â pedwar deg wyth substituents heb ddinistrio'r sgerbwd carbon. Felly, er enghraifft, a geir drwy C ₆₀ F _48, ac mae llawer o gyfansoddion o'r fath yn cael eu defnyddio, yn yr hon y sylfaen yn fullerenes.

cais

Mae bron fullerenes ddiddordeb mewn hollol wahanol ardaloedd. O ystyried eu heiddo electronig y gellir eu hystyried hwy a'u deilliadau fel lled-ddargludyddion. Fullerenes yn rhwydd yn amsugno pelydriad UV, mae ganddynt allu uchel electron-tynnu'n ôl. Mae'r holl adeiladau hyn yn ei gwneud yn bosibl i wneud cais iddynt yn y ffotofoltäig, synwyryddion ffotodrydanol, dyfeisiau ynni'r haul o wahanol electroneg moleciwlaidd. Fullerenes yn cael eu defnyddio mewn meddygaeth fel asiantau gwrthfeirysol a gwrthficrobaidd, fel asiantau mewn therapi ffotodeinamig a m. P.

technolegau modern wedi caniatáu gymharol gyflym i gynyddu cyfanswm yr unedau i gael rhagor o fullerenes hefyd yn dulliau gweithio gwell a mwy effeithlon ar gyfer eu triniaeth. Dyna pam y gost, er enghraifft, C ₆₀ wedi gostwng yn sylweddol dros y degawd diwethaf a hanner (gyda deg mil o i ddeg i bymtheg ddoleri fesul gram). Nawr rydym yn wynebu sefyllfa lle ar gyfer ceisiadau a fullerenes diwydiannol go iawn yn dod i ran y person. Mae eu defnydd yn tyfu ac yn tyfu bob dydd.

I gael gwybodaeth am agor

Fullerenes enwyd ar ôl y pensaer enwog a pheiriannydd Richarda Bakminstera Fullera, sydd ar sail eu strwythur ddyfeisiodd y strwythur geodesic. Ar y dechrau, dosbarth hwn o gyfansoddion yn cael ei gyfyngu i strwythur, a oedd yn cynnwys yr unig chwe-a pumochrog hwynebau. Os yw cyfansoddiad y moleciwl ffwleren yn ychwanegol at atomau carbon yn bresennol elfennau cemegol gwahanol, ac maent yn cael eu lleoli o fewn y sgerbwd carbon, y rhai a elwir fullerenes endohedral. Os bydd y atomau o elfennau eraill yn cael eu lleoli y tu allan i fullerenes i'w cael exohedrally. Eu henwau, nid yw hyn ffurflen moleciwlaidd yn hir iawn yn ôl - yn 1985, pan grŵp o ymchwilwyr yn gwneud y darganfyddiad annisgwyl ffwleren. Bach, Kroto, fferyllwyr Curl a eraill a astudiwyd parau graffit a gafodd eu gafwyd gan abladiad laser (arbelydru) solet. Cafwyd hyd copaon a oedd â osgled mwyaf posibl sy'n cyfateb i glystyrau o atomau carbon chwe deg a saith deg.

Felly rydym yn cyfrifo y moleciwl C ₆₀ ac C _70, yn ogystal â'r ddamcaniaeth bod y moleciwl cyntaf yn cael ei hadeiladu yn y siâp icosahedron blaendor. Dyma'r mwyaf cyffredin C ₆₀ bakminsterfullerenom enwir a gweddill y moleciwl - dim ond fullerenes.

Mae gwyddonwyr-cemegwyr yn gyfarwydd iawn mewn pensaernïaeth ac yn cofio Fuller, a adeiladodd y gromen ar yr adeiladau hynny - pentagonau, fforchog hexagons, hynny yw sylfaen strwythur y sgerbydau moleciwlaidd o gwbl holl fullerenes. Fodd bynnag, mae hyn yn - stori ryfeddol, ac nid heb hanes diddorol. Ar y posibilrwydd o fodolaeth moleciwlau o'r fath braidd yn gynharach yr oedd yn ysgrifenedig yn Japan (1971), a'r sail ddamcaniaethol Cafwyd a'i gyhoeddi yn yr Undeb Sofietaidd (1973). Serch hynny, cafodd Kroto, Curl a Bach y Wobr Nobel mewn cemeg.

Natur a thechnoleg

Paratoi ffwleren pur yn bosibl drwy synthesis artiffisial. Mae'r cyfansoddion parhau hastudio ddwys mewn gwahanol wledydd, gosod dan ba amodau eu ffurfio yn digwydd, ac yn cael ei ystyried strwythur ffwleren a'u priodweddau. Mae maes sy'n tyfu'n gynyddol o gais. Canfuwyd bod swm sylweddol o fullerenes a gynhwysir yn y huddygl, sy'n cael ei ffurfio ar electrodau graffit mewn rhyddhau arc. Yn gynharach y ffaith hon yn syml erioed wedi gweld eto.

Pan fydd y fullerenes Cynhyrchwyd dan amodau labordy, moleciwlau carbon a dechreuodd eu canfod mewn natur. Yn Karelia, yr ydym yn eu canfod mewn samplau shungites, India a'r Unol Daleithiau - yn furulgitah. Hefyd mae llawer ac yn aml foleciwlau carbon yn feteorynnau a gwaddodion ar y gwaelod, sydd heb fod yn llai na 65,000,000 o flynyddoedd. Ar y Ddaear Gellir fullerenes pur yn cael ei ffurfio o mellt a hylosgi nwy naturiol. samplau Awyr a gymerwyd yn ystod y Canoldir, wedi cael eu hastudio yn 2011, a chanfuwyd bod pob sampl a gymerwyd - o Istanbul i Barcelona - mae ffwleren. priodweddau ffisegol y sylwedd yn achosi ffurfio digymell. Hefyd llawer iawn ohono i'w cael yn y gofod - ac yn y wladwriaeth nwyol, ac ar ffurf solid.

synthesis

Mae'r arbrofion cyntaf o ynysu fullerenes digwydd trwy pâr tew o graffit a gafwyd gan arbelydriad gyda gweithredu laser samplau graffit solet. Llwyddo i gael dim ond olion fullerenes. Dim ond yn 1990 gan fferyllwyr Huffman, Cig Oen a Kretschmer datblygu dull newydd o gynhyrchu fullerenes mewn symiau gram. Roedd yn cynnwys yn llosgi electrodau graffit gan arc trydan mewn awyrgylch o heliwm ac o dan bwysau isel. A yw erydiad y anod ac roedd yn ymddangos y waliau siambr i huddygl cynnwys fullerenes.

Ymhellach, huddygl ei hydoddi mewn tolwen neu bensen, a'r ateb sy'n deillio sefyll gram moleciwlau pur C ₇₀ ac C _60. Cymhareb - 1: 3. Ar ben hynny, ateb yn cynnwys dau y cant yn uwch gorchymyn fullerenes trwm a. Nawr roedd yn hawdd: dewiswch y paramedrau gorau posibl ar gyfer anweddu - cyfansoddiad yr atmosffer, pwysau, diamedr electrod, ar hyn o bryd ac yn y blaen, er mwyn cyflawni'r uchafswm cynnyrch o fullerenes. Roeddent hyd at tua deuddeg y cant o'r deunydd anod gwirioneddol. Dyna pam fullerenes mor ddrud yn cael eu.

cynhyrchu

Pob ymdrech i wyddonwyr arbrofol ar y dechrau oedd yn ofer: y dulliau cynhyrchiol ac yn rhatach o gynhyrchu fullerenes yn cael eu. Nid oes gan y fflam llosgi hydrocarbonau neu synthesis cemegol yn aflwyddiannus. Dull arc trydan wedi bod yn fwyaf cynhyrchiol, yn eich galluogi i dderbyn tua un gram o fullerenes yr awr. Mae'r cwmni Mitsubishi wedi datblygu dull o weithgynhyrchu hylosgiad hydrocarbonau, ond nid ydynt yn fullerenes pur - maent yn cynnwys moleciwlau ocsigen. A hyd yn hyn mae'n dal yn aneglur y mecanwaith o ffurfio sylwedd hwn, oherwydd bod y prosesau arc yn hynod ansefydlog o bwynt thermodynamic o farn, ac mae'n gryf iawn yn atal ystyried y theori. Dim ond tystiolaeth irrefutable sy'n casglu atomau carbon ffwleren unigol, hy C ₂ ddarnau. Fodd bynnag, nid yw'r darlun clir o ffurfio sylwedd hwn wedi cael ei ffurfio.

Mae cost uchel ffwleren ei bennu nid yn unig cynnyrch isel wrth gael ei losgi. Unigedd, puro, gwahanu fullerenes o wahanol llu o huddygl - holl brosesau hyn yn eithaf cymhleth. Yn enwedig ei bod yn ymwneud gwahanu'r cymysgedd yn ffracsiynau moleciwlaidd ar wahân, sy'n cael eu dal gan cromatograffi golofn hylif a gwasgedd uchel. Yn ystod y cam olaf o weddillion toddyddion yn cael eu tynnu oddi ar y ffwleren sydd eisoes solet. Ar gyfer y sampl hwn yn cael ei gadw o dan wactod deinamig ar dymheredd o hyd at ddau gant a hanner gradd. Ond mae'r fantais yw bod yn ystod y gwaith o ddatblygu ffwleren C ₆₀ ac yn ei dderbyn mewn symiau macrosgopig eisoes cemeg organig wedi tyfu'n cangen annibynnol - cemeg fullerenes, sydd wedi dod yn hynod boblogaidd.

budd-dal

deilliadau ffwleren yn cael eu defnyddio mewn gwahanol feysydd o dechnoleg. Drysu a grisialau ffwleren - lled-ddargludyddion gael photoconductivity dan arbelydru optegol. Grisialau C _60, os yw atomau doped o fetelau alcalïaidd, newid i gyflwr o superconductivity. atebion ffwleren wedi eiddo optegol nonlinear, ac felly gellir eu defnyddio fel sail i caeadau optegol sy'n angenrheidiol ar gyfer amddiffyn rhag ymbelydredd dwys. Hefyd ffwleren ei ddefnyddio fel catalydd ar gyfer synthesis diemwnt. Fullerenes yn cael eu defnyddio'n eang mewn bioleg a meddygaeth. Mae'n cyflogi tri eiddo moleciwlau hyn: pennu membranotropnyh lipophilicity, elektronodefitsit rhoi rhyngweithio gallu gyda radicalau rhydd, ond hefyd y gallu i drosglwyddo moleciwl ocsigen confensiynol eu cyflwr cynhyrfol hunain ac i droi'r singlet ocsigen.

sylweddau adweithiol o'r fath yn ymosod biomolecules: asidau niwclëig, proteinau, lipidau. rhywogaethau ocsigen adweithiol yn cael eu defnyddio mewn therapi ffotodynamig ar gyfer triniaeth canser. gwaed y claf yn cael ei gyflwyno photosensitizers, gan gynhyrchu rhywogaethau ocsigen adweithiol - mewn gwirionedd fullerenes neu ddeilliadau ohono. Mae llif y gwaed yn y tiwmor yn wannach nag mewn meinweoedd iach, ac oherwydd photosensitizers cronni ynddo, ac ar ôl y cyfeiriad arbelydru y moleciwl yn cael eu cyffroi gan gynhyrchu rhywogaethau ocsigen adweithiol. celloedd canser sy'n dioddef apoptosis, ac mae'r tiwmor yn cael ei ddinistrio. Yn ogystal â hynny - fullerenes briodweddau gwrthocsidiol a rhywogaethau ocsigen adweithiol trap.

Ffwleren gostwng gweithgarwch integrase HIV, protein sy'n gyfrifol am integreiddio y firws i mewn i'r DNA drwy ryngweithio â hi drwy newid y cydffurfiad a amddifadu ef o wrecking prif swyddogaeth. Mae rhai o'r deilliadau ffwleren rhyngweithio'n uniongyrchol â DNA ac yn atal y restiktaz gweithredu.

Mwy am feddygaeth

Yn 2007, dechreuodd y fullerenes sy'n toddi mewn dŵr i gael ei ddefnyddio ar gyfer bwyta nhw asiantau fel antiallergic. Astudiaethau Cynhaliwyd ar waed dynol a chelloedd sydd wedi cael eu hamlygu deilliadau ffwleren - C60 (OH) x C60 (net) x a. Mewn arbrofion ar organebau byw - llygod - roedd y canlyniadau'n gadarnhaol.

Eisoes, mae sylwedd a ddefnyddir fel fector cyflenwi cyffuriau, gan fod y dŵr yn cynnwys fullerenes (adalw hydroffobig C ₆₀₎ yn treiddio y gellbilen yn hawdd iawn. Er enghraifft, erythropoietin - hormon arennau aeth yn syth i mewn i'r llif gwaed, yn diraddio mewn swm sylweddol, ac os caiff ei ddefnyddio ynghyd â fullerenes, mae'r crynodiad yn cynyddu i fwy na dyblu, gan ei fod yn mynd i mewn i'r gell.