stringtranslate.com

Фуллерен

Модель фуллерена С 60 (бакминстерфуллерена).
Модель фуллерена C 20 .
Модель углеродной нанотрубки.
Фуллерит С 60 (сыпучий твердый С 60 ).

Фуллерен — это аллотроп углерода , молекулы которого состоят из атомов углерода, соединенных одинарными и двойными связями, образующих замкнутую или частично замкнутую сетку со сросшимися кольцами из пяти-семи атомов. Молекулы могут иметь форму полых сфер , эллипсоидов , трубок или других форм.

Фуллерены с топологией закрытой сетки неофициально обозначаются их эмпирической формулой C n , часто записываемой C n , где n — количество атомов углерода. Однако для некоторых значений n может существовать более одного изомера .

Семейство названо в честь бакминстерфуллерена (C 60 ), самого известного члена, который, в свою очередь, назван в честь Бакминстера Фуллера . Закрытые фуллерены, особенно C 60 , также неофициально называют бакиболами из-за их сходства со стандартным футбольным мячом («футболом») . Вложенные закрытые фуллерены получили название bucky onions . Цилиндрические фуллерены также называют углеродными нанотрубками или бакитрубками . [1] Твердая форма чистых или смешанных фуллеренов называется фуллеритом . [2]

Фуллерены были предсказаны уже некоторое время, но только после их случайного синтеза в 1985 году они были обнаружены в природе [3] [4] и космическом пространстве. [5] [6] Открытие фуллеренов значительно расширило число известных аллотропов углерода, которые ранее ограничивались графитом, алмазом и аморфным углеродом, таким как сажа и древесный уголь . Они были предметом интенсивных исследований, как в области химии, так и в области их технологического применения, особенно в материаловедении , электронике и нанотехнологиях . [7]

Определение

ИЮПАК определяет фуллерены как «многогранные закрытые клетки, полностью состоящие из n трехкоординированных атомов углерода и имеющие 12 пятиугольных и (n/2–10) гексагональных граней, где n ≥ 20». [8]

История

Икосаэдрический фуллерен C _
540, еще один представитель семейства фуллеренов

Прогнозы и ограниченные наблюдения

Икосаэдр C
60ЧАС
60клетка была упомянута в 1965 году как возможная топологическая структура. [9] Эйдзи Осава предсказал существование C
60в 1970 году. [10] [11] Он заметил, что структура молекулы кораннулена представляет собой подмножество формы футбольного мяча, и предположил, что форма полного мяча также может существовать. Японские научные журналы сообщили о его идее, но ни она, ни ее переводы не дошли до Европы или Америки.

Также в 1970 году Р.У.Хенсон (тогда работавший в Британском исследовательском институте атомной энергии ) предложил C
60структуру и сделал ее модель. К сожалению, доказательства существования этой новой формы углерода в то время были очень слабыми, поэтому это предложение было встречено со скептицизмом и так и не было опубликовано. Это было признано только в 1999 году. [12] [13]

В 1973 г. независимо от Хенсона Д.А. Бочвар и Э.Г. Гальперн провели квантово-химический анализ стабильности C
60и рассчитал его электронную структуру. Статья была опубликована в 1973 году [14] , но научное сообщество не придало большого значения этому теоретическому предсказанию.

Примерно в 1980 году Сумио Иидзима идентифицировал молекулу C.
60из изображения технического углерода , полученного электронным микроскопом , где он образовал ядро ​​частицы со структурой «вытянутой луковицы». [15]

Также в 1980-х годах в Массачусетском технологическом институте Милдред Дресселхаус и Моринобу Эндо , сотрудничая с Т. Венкатесаном, руководили исследованиями по взрывной обработке графита лазерами, производящей углеродные кластеры атомов, которые позже были идентифицированы как «фуллерены». [16]

Открытие C60

В 1985 году Гарольд Крото из Университета Сассекса , работая с Джеймсом Р. Хитом , Шоном О'Брайеном, Робертом Керлом и Ричардом Смолли из Университета Райса , обнаружил фуллерены в сажистом остатке, образовавшемся в результате испарения углерода в атмосфере гелия . В масс-спектре продукта появились дискретные пики, соответствующие молекулам с точной массой шестьдесят или семьдесят и более атомов углерода, а именно C
60и С
70. Команда определила их структуру как теперь знакомые «бакиболы». [17]

В конечном итоге для C было выбрано название «бакминстерфуллерен».
60первооткрыватели как дань уважения американскому архитектору Бакминстеру Фуллеру за отдаленное сходство конструкции с геодезическими куполами , которые он популяризировал; которые, если бы их расширили до полной сферы, также имели бы икосаэдрическую группу симметрии. [18] Окончание «ен» было выбрано для обозначения того, что атомы углерода являются ненасыщенными и связаны только с тремя другими атомами вместо обычных четырех. Сокращенное название «фуллерен» со временем стало применяться ко всему семейству.

Крото, Керл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 г. [19] за вклад в открытие этого класса молекул.

Дальнейшие разработки

Крото и команда Райс уже открыли другие фуллерены помимо C 60 [17] , и в последующие годы их список значительно расширился. Углеродные нанотрубки были впервые обнаружены и синтезированы в 1991 году. [20] [21]

После их открытия было обнаружено, что незначительные количества фуллеренов образуются в копотивом пламени [ 22] и при грозовых разрядах в атмосфере. [4] В 1992 году фуллерены были обнаружены в семействе минералоидов, известных как шунгиты, в Карелии , Россия. [3]

Технологии производства были усовершенствованы многими учеными, в том числе Дональдом Хаффманом , Вольфгангом Кречмером , Лоуэллом Д. Лэмбом и Константиносом Фостиропулосом . [23] Благодаря их усилиям к 1990 году стало относительно легко производить образцы порошка фуллерена размером в грамм. Очистка фуллеренов остается проблемой для химиков и во многом определяет цены на фуллерены.

В 2010 году спектральные характеристики C 60 и C 70 наблюдались инфракрасным телескопом НАСА « Спитцер » в облаке космической пыли, окружающем звезду на расстоянии 6500 световых лет от нас. [5] Крото прокомментировал: «Этот самый захватывающий прорыв предоставляет убедительные доказательства того, что бакибол, как я давно подозревал, существовал с незапамятных времен в темных уголках нашей галактики». [6] По мнению астронома Летиции Стангеллини: «Вполне возможно, что бакиболлы из космоса предоставили семена жизни на Земле». [24] В 2019 году космическим телескопом Хаббла в пространстве между этими звездами были обнаружены ионизированные молекулы C 60 . [25] [26]

Типы

Существует два основных семейства фуллеренов с довольно разными свойствами и применением: закрытые бакиболы и цилиндрические углеродные нанотрубки с открытыми концами. [27] Однако между этими двумя классами существуют гибридные структуры, такие как углеродные нанопочки — нанотрубки, покрытые полусферическими сетками, или более крупные «букибутоны».

Бакиболлы

С
60с изоповерхностью электронной плотности основного состояния, рассчитанной с помощью DFT
Вращающийся вид C
60, один из видов фуллеренов

Бакминстерфуллерен

Бакминстерфуллерен — это наименьшая молекула фуллерена, содержащая пятиугольные и гексагональные кольца, в которых нет двух пятиугольников, имеющих общий край (что может быть дестабилизирующим, как в пенталене ). Он также наиболее распространен в естественном виде, так как его часто можно обнаружить в саже .

Эмпирическая формула бакминстерфуллерена: C
60и его структура представляет собой усеченный икосаэдр , который напоминает футбольный мяч, состоящий из двадцати шестиугольников и двенадцати пятиугольников, с атомом углерода в вершинах каждого многоугольника и связью вдоль каждого края многоугольника.

Ван -дер-ваальсовый диаметр молекулы бакминстерфуллерена составляет около 1,1 нанометра (нм). [28] Диаметр ядра молекулы бакминстерфуллерена составляет около 0,71 нм.

Молекула бакминстерфуллерена имеет две длины связи. Кольцевые связи 6:6 (между двумя шестиугольниками) можно считать « двойными связями », они короче, чем связи 6:5 (между шестиугольником и пятиугольником). Средняя длина его связи составляет 1,4 Å.

Другие фуллерены

Другой довольно распространенный фуллерен имеет эмпирическую формулу C
70, [29] , но обычно получают фуллерены с 72, 76, 84 и даже до 100 атомами углерода.

Наименьший возможный фуллерен - додекаэдр C.
20. Фуллеренов с 22 вершинами не существует. [30] Число различных фуллеренов C 2n растет с увеличением n  = 12, 13, 14,..., примерно пропорционально n 9 (последовательность A007894 в OEIS ). Например, существует 1812 неизоморфных фуллеренов C.
60. Обратите внимание, что только одна форма C
60, бакминстерфуллерен, не имеет пары соседних пятиугольников (самый маленький такой фуллерен). Чтобы еще раз проиллюстрировать рост, существует 214 127 713 неизоморфных фуллеренов C.
200, 15 655 672 из которых не имеют смежных пятиугольников. Оптимизированные структуры многих изомеров фуллеренов опубликованы и размещены в Интернете. [31]

Гетерофуллерены имеют гетероатомы, замещающие углерод в клеточных или трубчатых структурах. Они были открыты в 1993 г. [32] и значительно расширяют общий класс фуллереновых соединений и могут иметь на своей поверхности оборванные связи. Яркие примеры включают производные бора, азота ( азафуллерена ), кислорода и фосфора.

Углеродные нанотрубки

Эта вращающаяся модель углеродной нанотрубки демонстрирует ее трехмерную структуру.

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические фуллерены. Эти углеродные трубки обычно имеют ширину всего несколько нанометров, но их длина может варьироваться от менее микрометра до нескольких миллиметров. Они часто имеют закрытые концы, но могут быть и открытыми. Бывают также случаи, когда трубка уменьшается в диаметре перед закрытием. Их уникальная молекулярная структура приводит к исключительным макроскопическим свойствам, включая высокую прочность на разрыв , высокую электропроводность , высокую пластичность , высокую теплопроводность и относительную химическую инертность (поскольку она цилиндрическая и «плоская», то есть не имеет «обнаженных» атомов). его можно легко заменить). Одним из предложенных вариантов использования углеродных нанотрубок является создание бумажных батарей , разработанных в 2007 году исследователями из Политехнического института Ренсселера . [33] Еще одним весьма спекулятивным предложением использования в области космических технологий является производство высокопрочных углеродных кабелей, необходимых для космического лифта .

Производные

Баккиболы и углеродные нанотрубки использовались в качестве строительных блоков для множества производных и более крупных структур, таких как [27]

Гетерофуллерены и неуглеродные фуллерены

После открытия C60 было синтезировано (или изучено теоретически методами молекулярного моделирования ) множество фуллеренов, в которых некоторые или все атомы углерода заменены другими элементами. В частности, большое внимание привлекли неуглеродные нанотрубки .

Бор

В 2007 году был предсказан и описан тип бакиболла , в котором вместо обычного углерода используются атомы бора .
80Было предсказано, что структура, в которой каждый атом образует 5 или 6 связей, будет более стабильной, чем структура C.
60бакибол. [39] Однако последующий анализ показал, что предсказанная симметричная структура I h была колебательно нестабильной, и полученная клетка претерпела бы спонтанное нарушение симметрии, в результате чего получилась сморщенная клетка с редкой симметрией T h (симметрия волейбольного мяча ) . [40] Число шестичленных колец в этой молекуле равно 20, а количество пятичленных колец — 12. В центре каждого шестичленного кольца есть дополнительный атом, связанный с каждым окружающим его атомом. Позже было обнаружено, что с помощью алгоритма систематического глобального поискаб
80фуллерен не является глобальным максимумом для 80-атомных кластеров бора и, следовательно, не может быть обнаружен в природе; наиболее стабильные конфигурации имеют комплекс. [41] В той же статье сделан вывод, что энергетический ландшафт бора, в отличие от других, имеет множество неупорядоченных низкоэнергетических структур, следовательно, чистые фуллерены бора вряд ли существуют в природе. [41]

Однако нерегулярный B
40Комплекс, получивший название боросферен, был получен в 2014 году. Этот комплекс имеет две шестиугольные грани и четыре семиугольные грани с симметрией D 2d , перемежающиеся сеткой из 48 треугольников. [42]

Другие элементы

Неорганические (безуглеродные) структуры фуллеренового типа были построены с использованием сульфида молибдена(IV) (MoS 2 ), долгое время используемого в качестве графитоподобной смазки, вольфрама (WS 2 ) , титана (TiS 2 ) и ниобия (NbS 2 ) . ) . Было обнаружено, что эти материалы стабильны по меньшей мере до 350 тонн/см 2 (34,3 ГПа ). [43]

Икосаэдрические или искаженно-икосаэдрические фуллереноподобные комплексы получены также для германия , олова и свинца ; некоторые из этих комплексов достаточно просторны, чтобы удерживать большинство атомов переходных металлов. [44] [45]

Основные фуллерены

Ниже представлена ​​таблица основных синтезированных и охарактеризованных к настоящему времени закрытых углеродных фуллеренов с указанием их номера CAS , если он известен. [46] Фуллерены с числом атомов углерода менее 60 называются «низшими фуллеренами», [47] , а с числом атомов более 70 — «высшими фуллеренами». [48]

В таблице «Числ.Исом». - это количество возможных изомеров в рамках «правила изолированного пятиугольника», которое гласит, что два пятиугольника в фуллерене не должны иметь общие края. [50] [51] «Мол.Симм». является симметрией молекулы, [51] [52], тогда как «Cryst.Symm.» Это кристаллический каркас в твердом состоянии. Оба указаны для наиболее распространенных в экспериментах форм. Звездочкой * отмечены симметрии с более чем одной киральной формой.

Когда С
76или С
82кристаллы выращиваются из раствора толуола, они имеют моноклинную симметрию. Кристаллическая структура содержит молекулы толуола, упакованные между сферами фуллерена. Однако испарение растворителя из C
76преобразует его в гранецентрированную кубическую форму. [53] И моноклинная, и гранецентрированная кубическая (ГЦК) фазы известны более характеризованным C60и С70фуллерены.

Характеристики

Топология

Диаграммы Шлегеля часто используются для пояснения трехмерной структуры фуллеренов с закрытой оболочкой, поскольку двумерные проекции часто не идеальны в этом смысле. [54]

В математических терминах комбинаторную топологию (то есть атомы углерода и связи между ними, игнорируя их положения и расстояния) фуллерена с замкнутой оболочкой с простой сфероподобной средней поверхностью ( ориентируемой , род нулевой) можно представить как выпуклый многогранник ; точнее, его одномерный скелет, состоящий из его вершин и ребер. Диаграмма Шлегеля представляет собой проекцию этого скелета на одну из граней многогранника через точку сразу за этой гранью; так, чтобы все остальные вершины выступали внутрь этой грани.

Диаграмма Шлегеля замкнутого фуллерена представляет собой плоский и 3 -регулярный граф (или «кубический»; это означает, что все вершины имеют степень 3).

Замкнутый фуллерен со сферической оболочкой должен иметь хотя бы несколько циклов, представляющих собой пятиугольники или семиугольники. Точнее, если все грани имеют 5 или 6 сторон, то из формулы многогранника Эйлера V − E + F =2 (где V , E , F — числа вершин, ребер и граней) следует, что V должно быть даже, и что пятиугольников и V /2−10 шестиугольников должно быть ровно 12 . Аналогичные ограничения существуют, если фуллерен имеет семиугольные (семиатомные) циклы. [55]

Склеивание

Поскольку каждый атом углерода связан только с тремя соседями вместо обычных четырех, эти связи принято описывать как смесь одинарных и двойных ковалентных связей . Сообщается, что гибридизация углерода в C 60 имеет sp 2,01 . [56] Состояние связи можно анализировать с помощью рамановской спектроскопии , ИК-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии . [56] [57]

Инкапсуляция

Дополнительные атомы, ионы, кластеры или небольшие молекулы могут быть захвачены внутри фуллеренов с образованием соединений включения, известных как эндоэдральные фуллерены . Необычным примером является фуллерен Tb 3 N@ C яйцевидной формы.
84, что нарушает правило изолированного пятиугольника. [58] Доказательства падения метеорита в конце пермского периода были обнаружены путем анализа благородных газов , сохранившихся за счет фуллеренов. [59]

Исследовать

В области нанотехнологий термостойкость и сверхпроводимость являются одними из наиболее изученных свойств .

Существует множество расчетов, выполненных с использованием квантовых методов ab-initio, примененных к фуллеренам. Методами DFT и TD-DFT можно получить ИК , Рамановские и УФ спектры. Результаты таких расчетов можно сравнить с экспериментальными результатами.

Фуллерен является необычным реагентом во многих органических реакциях, таких как реакция Бингеля, открытая в 1993 году.

Ароматность

Исследователям удалось повысить реакционную способность фуллеренов, прикрепив активные группы к их поверхности. Бакминстерфуллерен не проявляет « суперароматичности »: то есть электроны в гексагональных кольцах не делокализуются по всей молекуле.

Сферический фуллерен из n атомов углерода имеет n пи-связывающих электронов, которые могут делокализоваться. Они должны попытаться делокализовать всю молекулу. Квантовая механика такого устройства должна представлять собой всего лишь одну оболочку известной квантовомеханической структуры одиночного атома со стабильной заполненной оболочкой для n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, и т. д. (т. е. в два раза больше совершенного квадратного числа ), но в этот ряд не входит 60. Это правило 2( N  + 1) 2 (с N целым числом) для сферической ароматичности является трехмерным аналогом правила Хюккеля . Катион 10+ удовлетворяет этому правилу и должен быть ароматическим. Это было показано с помощью квантово-химического моделирования, которое показало существование сильных токов диамагнитных сфер в катионе. [60]

В результате С
60в воде имеет тенденцию захватывать еще два электрона и становиться анионом . н С _
60описанное ниже может быть результатом C
60пытаясь образовать рыхлую металлическую связь .

Реакции

Полимеризация

Под высоким давлением и температурой бакиболлы разрушаются, образуя различные одно-, двух- или трехмерные углеродные каркасы. Одноцепочечные полимеры образуются с использованием метода радикально-аддитивной полимеризации с переносом атома (ATRAP). [61]

«Сверхтвердый фуллерит» — это придуманный термин, часто используемый для описания материала, полученного путем обработки фуллерита под высоким давлением и высокой температурой (HPHT). Такая обработка превращает фуллерит в нанокристаллическую форму алмаза , которая, как сообщается, демонстрирует замечательные механические свойства. [62]

Фуллерит ( изображение сканирующего электронного микроскопа )

Химия

Фуллерены стабильны, но не полностью нереакционноспособны. Sp 2 -гибридизированные атомы углерода, которые находятся в минимуме энергии в плоском графите , должны быть согнуты, чтобы сформировать замкнутую сферу или трубку, что приводит к угловой деформации . Характерной реакцией фуллеренов является электрофильное присоединение по 6,6-двойным связям, которое уменьшает угловую деформацию за счет замены sp 2 -гибридизированных атомов углерода в sp 3 -гибридизированные. Изменение гибридизованных орбиталей приводит к уменьшению валентных углов примерно с 120° на орбиталях sp2 до примерно 109,5° на орбиталях sp3 . Такое уменьшение валентных углов позволяет связям меньше изгибаться при замыкании сферы или трубки, и, таким образом, молекула становится более стабильной.

Растворимость

С
60в растворе
С
60в оливковом масле первого холодного отжима, демонстрируя характерный фиолетовый цвет чистого C.
60решения

Фуллерены растворимы во многих органических растворителях , таких как толуол , хлорбензол и 1,2,3-трихлорпропан . Растворимость обычно довольно низкая, например, 8 г/л для C 60 в сероуглероде . Тем не менее, фуллерены — единственная известная аллотропная форма углерода, которую можно растворить в обычных растворителях при комнатной температуре. [63] [64] [65] [66] [67] Одним из лучших растворителей является 1-хлорнафталин , который растворяет 51 г/л C 60 .

Растворы чистого бакминстерфуллерена имеют темно-фиолетовый цвет. Решения C
70имеют красновато-коричневый цвет. Высшие фуллерены C
76до С
84иметь разнообразные цвета.

Кристаллы C миллиметрового размера
60и С
70, как чистый, так и сольватированный, можно вырастить из раствора бензола. Кристаллизация С
60из раствора бензола при температуре ниже 30 ° C (когда растворимость максимальна) образуется триклинный твердый сольват C.
60·4 С
6ЧАС
6. При температуре выше 30 ° C образуется ГЦК C , не содержащий сольватов.
60. [68] [69]

Квантовая механика

В 1999 году исследователи из Венского университета продемонстрировали, что корпускулярно-волновой дуализм применим к таким молекулам, как фуллерен. [70]

Сверхпроводимость

Фуллерены обычно являются электрическими изоляторами, но при кристаллизации с щелочными металлами полученное соединение может быть проводящим или даже сверхпроводящим. [71]

Хиральность

Некоторые фуллерены (например, C
76, С
78, С
80и С
84) по своей сути хиральны , поскольку они D 2 -симметричны и были успешно разрешены. Продолжаются исследования по разработке конкретных сенсоров для их энантиомеров.

Стабильность

Были предложены две теории для описания молекулярных механизмов образования фуллеренов. Старая теория «снизу вверх» предполагает, что они строятся атом за атомом. Альтернативный подход «сверху вниз» утверждает, что фуллерены образуются, когда гораздо более крупные структуры распадаются на составные части. [72]

В 2013 году исследователи обнаружили, что асимметричные фуллерены, образующиеся из более крупных структур, превращаются в стабильные фуллерены. Синтезированное вещество представляло собой особый металлофуллерен , состоящий из 84 атомов углерода с двумя дополнительными атомами углерода и двумя атомами иттрия внутри каркаса. В результате этого процесса было получено около 100 микрограммов. [72]

Однако они обнаружили, что асимметричная молекула теоретически может коллапсировать с образованием почти всех известных фуллеренов и металлофуллеренов. Незначительные возмущения, связанные с разрывом нескольких молекулярных связей, приводят к тому, что клетка становится очень симметричной и стабильной. Это открытие подтверждает теорию о том, что фуллерены могут образовываться из графена при разрыве соответствующих молекулярных связей. [72] [73]

Систематическое наименование

Согласно IUPAC , чтобы назвать фуллерен, необходимо указать количество атомов-членов колец, из которых состоит фуллерен, его точечную группу симметрии в обозначениях Шенфлиса и общее количество атомов. Например, бакминстерфуллерен C 60 систематически называется ( C
60- I ч )[5,6]фуллерен. Название точечной группы должно быть сохранено в любом производном указанного фуллерена, даже если эта симметрия теряется при получении.

Чтобы указать положение замещенных или присоединенных элементов, атомы фуллеренов обычно нумеруются по спирали, обычно начиная с кольца на одной из главных осей. Если структура фуллерена не допускает такой нумерации, был выбран другой исходный атом, чтобы все же достичь последовательности спиральных путей.

Последнее справедливо для C 70 , то есть ( C
70- D 5h(6) )[5,6]фуллерен в обозначениях ИЮПАК. Симметрия D 5h(6) означает, что это изомер, у которого ось C 5 проходит через пятиугольник, окруженный шестиугольниками, а не пятиугольниками. [54]

В номенклатуре ИЮПАК полностью насыщенные аналоги фуллеренов называются фуллеранами . Если в сетке есть другой элемент(ы), замещающий один или несколько атомов углерода, соединение называется гетерофуллереном . Если двойная связь заменяется метиленовым мостиком –CH 2 – , полученная структура представляет собой гомофуллерен . Если атом полностью удален и отсутствуют валентности, насыщенные атомами водорода, это норфуллерен . Когда связи удаляются (как сигма, так и пи), соединение становится секофуллереном ; если некоторые новые связи добавляются в нетрадиционном порядке, это циклофуллерен . [54]

Производство

Производство фуллеренов обычно начинается с производства сажи, богатой фуллеренами. Первоначальный (и до сих пор актуальный) метод заключался в передаче сильного электрического тока между двумя соседними графитовыми электродами в инертной атмосфере. Возникающая в результате электрическая дуга испаряет углерод в плазму , которая затем охлаждается до сажистого остатка. [17] Альтернативно, сажа получается путем лазерной абляции графита или пиролиза ароматических углеводородов . [74] [ нужна ссылка ] Сжигание бензола — наиболее эффективный процесс, разработанный в Массачусетском технологическом институте . [75] [76]

В результате этих процессов образуется смесь различных фуллеренов и других форм углерода. Затем фуллерены экстрагируют из сажи с использованием соответствующих органических растворителей и разделяют хроматографией . [77] : стр.369  Можно получить миллиграммовые количества фуллеренов с 80 атомами и более. C 76 , C 78 и C 84 доступны коммерчески.

Приложения

Фуллерены широко использовались для нескольких биомедицинских применений, включая разработку высокоэффективных контрастных веществ для МРТ , контрастных веществ для рентгеновских изображений, фотодинамической терапии, а также доставки лекарств и генов, что обобщено в нескольких подробных обзорах. [78] Исследования опухолей. В то время как предыдущие исследования рака включали лучевую терапию, фотодинамическую терапию важно изучить, поскольку прорывы в лечении опухолевых клеток откроют больше возможностей для пациентов с различными заболеваниями. Недавние эксперименты с использованием клеток HeLa в исследованиях рака включают разработку новых фотосенсибилизаторов с повышенной способностью поглощаться раковыми клетками и при этом вызывать их гибель. Также важно, чтобы новый фотосенсибилизатор не оставался в организме длительное время, чтобы предотвратить нежелательное повреждение клеток. Фуллерены могут поглощаться клетками HeLa. Производные C 60 можно доставлять в клетки, используя, среди прочего, функциональные группы L-фенилаланин, фолиевую кислоту и L-аргинин.[80] Функционализация фуллеренов направлена ​​на повышение растворимости молекулы раковыми клетками. Раковые клетки поглощают эти молекулы с повышенной скоростью из-за активации транспортеров в раковой клетке, в этом случае переносчики аминокислот приносят функциональные группы L-аргинина и L-фенилаланина фуллеренов.[81] После поглощения клетками производные C 60 будут реагировать на световое излучение, превращая молекулярный кислород в активный кислород, что запускает апоптоз в клетках HeLa и других раковых клетках, которые могут поглощать молекулы фуллерена. Это исследование показывает, что реактивное вещество может воздействовать на раковые клетки, а затем активироваться световым излучением, сводя к минимуму повреждение окружающих тканей во время лечения.[82] При поглощении раковыми клетками и воздействии светового излучения реакция, в результате которой образуется активный кислород, повреждает ДНК, белки и липиды, составляющие раковую клетку. Это клеточное повреждение заставляет раковую клетку пройти апоптоз, что может привести к уменьшению размера опухоли. После завершения лечения световым излучением фуллерен реабсорбирует свободные радикалы, предотвращая повреждение других тканей.[83] Поскольку это лечение направлено на раковые клетки, оно является хорошим вариантом для пациентов, раковые клетки которых находятся в пределах досягаемости светового излучения. По мере продолжения этих исследований лечение может проникать глубже в организм и более эффективно поглощаться раковыми клетками.[79]

Безопасность и токсичность

В 2013 году был опубликован всеобъемлющий обзор токсичности фуллеренов, в котором были рассмотрены работы, начавшиеся в начале 1990-х годов, и сделан вывод о том, что очень мало доказательств, собранных с момента открытия фуллеренов, указывают на то, что C
60является токсичным. [78] Токсичность этих углеродных наночастиц зависит не только от дозы и времени, но также от ряда других факторов, таких как:

Было рекомендовано оценивать фармакологию каждого нового комплекса на основе фуллеренов или металлофуллеренов индивидуально, как отдельного соединения.

Популярная культура

Примеры фуллеренов часто появляются в массовой культуре . Фуллерены появились в художественной литературе задолго до того, как ими серьезно заинтересовались ученые. В юмористической спекулятивной колонке для New Scientist в 1966 году Дэвид Джонс предположил возможность создания гигантских полых молекул углерода путем искажения плоской гексагональной сети добавлением атомов примесей. [79]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Определение BUCKYTUBE» . www.merriam-webster.com .
  2. ^ "фуллерит". Архивировано из оригинала 23 октября 2015 года.
  3. ^ аб Бусек, PR; Ципурский, С.Дж.; Хеттих, Р. (1992). «Фуллерены из геологической среды». Наука . 257 (5067): 215–7. Бибкод : 1992Sci...257..215B. дои : 10.1126/science.257.5067.215. PMID  17794751. S2CID  4956299.
  4. ^ ab «Аллотропы углерода». Интерактивная нановизуализация в науке и инженерном образовании . Архивировано из оригинала 18 июня 2010 года . Проверено 29 августа 2010 г.
  5. ^ Аб Ками, Дж; Бернар-Салас, Ж.; Питерс, Э.; Малек, SE (2 сентября 2010 г.). «Обнаружение C
    60    и С
    70    в молодой планетарной туманности». Science . 329 (5996): 1180–1182. doi : 10.1126/science.1192035. PMID  20651118. S2CID  33588270.
  6. ↑ ab Stars раскрывают углеродные «космические шары», BBC, 22 июля 2010 г.
  7. ^ Белкин, А.; и другие. (2015). «Самособирающиеся колеблющиеся наноструктуры и принцип производства максимальной энтропии». наук. Представитель . 5 : 8323. Бибкод : 2015NatSR...5E8323B. дои : 10.1038/srep08323. ПМК 4321171 . ПМИД  25662746. 
  8. ^ Благочестивый, EW; Тейлор, Р. (1997). «Номенклатура и терминология фуллеренов» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 69 (7): 1411–1434. дои : 10.1351/pac199769071411. S2CID  94299129.
  9. ^ Шульц, HP (1965). «Топологическая органическая химия. Многогранники и призманы». Журнал органической химии . 30 (5): 1361–1364. дои : 10.1021/jo01016a005.
  10. ^ Осава, Э. (1970). «Суперароматика». Кагаку . 25 : 854–863.
  11. ^ Хэлфорд, Б. (9 октября 2006 г.). «Мир глазами Рика». Новости химии и техники . 84 (41): 13–19. doi : 10.1021/cen-v084n041.p013.
  12. ^ Троуэр, Пенсильвания (1999). «Редакция». Карбон . 37 (11): 1677–1678. дои : 10.1016/S0008-6223(99)00191-8.
  13. ^ Хенсон, Р.В. «История углерода 60 или бакминстерфуллерена». Архивировано из оригинала 15 июня 2013 года.
  14. ^ Бочвар, Д.А.; Гальперн, Э.Г. (1973). «О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдре и карбо-s-икосаэдре». Докл. Акад. Наук СССР . 209 : 610.
  15. ^ Иидзима, С (1980). «Прямое наблюдение тетраэдрической связи в графитированной саже с помощью электронной микроскопии высокого разрешения». Журнал роста кристаллов . 50 (3): 675–683. Бибкод : 1980JCrGr..50..675I. дои : 10.1016/0022-0248(80)90013-5.
  16. ^ "Милдред С. Дрессельхаус". Институт Франклина . 5 октября 2016 г. Проверено 8 октября 2022 г.
  17. ^ abc Крото, HW; Хит, младший; Обриен, Южная Каролина; и другие. (1985). " С
    60    : Бакминстерфуллерен». Nature . 318 (6042): 162–163. Бибкод : 1985Natur.318..162K. doi : 10.1038/318162a0. S2CID  4314237.
  18. ^ Бакминстерфуллерен, C60. Сассексская группа фуллеренов. chm.bris.ac.uk
  19. ^ «Нобелевская премия по химии 1996 г.» . Проверено 7 февраля 2014 г.
  20. ^ Мраз, SJ (14 апреля 2005 г.). «Новый бакибол прилетает в город». Дизайн машины . Архивировано из оригинала 13 октября 2008 года.
  21. ^ Иидзима, Сумио (1991). «Спиральные микротрубочки графитового углерода». Природа . 354 (6348): 56–58. Бибкод : 1991Natur.354...56I. дои : 10.1038/354056a0. S2CID  4302490.
  22. ^ Рейли, ОТА; Герай, РА; Уиттен, ВБ; Рэмси, Дж. М. (2000). «Эволюция фуллеренов в пламенной саже». Журнал Американского химического общества . 122 (47): 11596–11601. дои : 10.1021/ja003521v. ISSN  0002-7863.
  23. ^ Кречмер, В.; Лэмб, Лоуэлл Д.; Фостиропулос, К.; Хаффман, Дональд Р. (1990). «Твердый C60: новая форма углерода». Природа . 347 (6291): 354–358. Бибкод : 1990Natur.347..354K. дои : 10.1038/347354a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4359360.
  24. ↑ Аткинсон, Нэнси (27 октября 2010 г.). «Во Вселенной может быть много бакиболлов». Вселенная сегодня . Проверено 28 октября 2010 г.
  25. ↑ Старр, Мишель (29 апреля 2019 г.). «Космический телескоп Хаббл только что нашел убедительные доказательства существования межзвездных бакиболлов». ScienceAlert.com . Проверено 29 апреля 2019 г.
  26. ^ Кординер, Массачусетс; и другие. (22 апреля 2019 г.). «Подтверждение Interstellar C60 + с помощью космического телескопа Хаббл». Письма астрофизического журнала . 875 (2): Л28. arXiv : 1904.08821 . Бибкод : 2019ApJ...875L..28C. дои : 10.3847/2041-8213/ab14e5 . S2CID  121292704.
  27. ^ аб Мисслер, Г.Л.; Тарр, Д.А. (2004). Неорганическая химия (3-е изд.). Образование Пирсона . ISBN 978-0-13-120198-9.
  28. ^ Цяо, Руи; Робертс, Аарон П.; Маунт, Эндрю С.; и другие. (2007). «Транслокация C
    60    и его производные в липидном бислое». Nano Letters . 7 (3): 614–9. Bibcode : 2007NanoL...7..614Q. CiteSeerX  10.1.1.725.7141 . doi : 10.1021/nl062515f. PMID  17316055.
  29. ↑ Локк, В. (13 октября 1996 г.). «Бакминстерфуллерен: молекула месяца». Имперский колледж . Проверено 4 июля 2010 г.
  30. ^ Мейя, Юрис (2006). «Вызов вариаций Гольдберга» (PDF) . Аналитическая и биоаналитическая химия . 385 (1): 6–7. дои : 10.1007/s00216-006-0358-9. PMID  16598460. S2CID  95413107.
  31. ^ Фаулер, П.В. и Манолопулос, DE Cn Фуллерены. nanotube.msu.edu
  32. ^ Харрис, ди-джей «Открытие нитрошаров: исследования в области химии фуллеренов» http://www.usc.edu/CSSF/History/1993/CatWin_S05.html. Архивировано 29 ноября 2015 г. в Wayback Machine.
  33. ^ Пушпарадж, В.Л.; Шайджумон, Маникот М.; Кумар, А.; и другие. (2007). «Гибкие накопители энергии на основе нанокомпозитной бумаги». Труды Национальной академии наук . 104 (34): 13574–7. Бибкод : 2007PNAS..10413574P. дои : 10.1073/pnas.0706508104 . ЧВК 1959422 . ПМИД  17699622. 
  34. ^ Угарте, Д. (1992). «Скручивание и замыкание графитовых сеток при электронно-лучевом облучении». Природа . 359 (6397): 707–709. Бибкод : 1992Natur.359..707U. дои : 10.1038/359707a0. PMID  11536508. S2CID  2695746.
  35. ^ Сано, Н.; Ван, Х.; Чховалла, М.; и другие. (2001). «Синтез углеродных «луковиц» в воде». Природа . 414 (6863): 506–7. Бибкод : 2001Natur.414..506S. дои : 10.1038/35107141. PMID  11734841. S2CID  4431690.
  36. ^ Митчел, доктор медицинских наук; Браун, Р. Малкольм младший (2001). «Синтез мегатрубок: новые измерения углеродных материалов». Неорганическая химия . 40 (12): 2751–5. дои : 10.1021/ic000551q. ПМИД  11375691.
  37. ^ Шварцбург, А.А.; Хаджинс, Р.Р.; Гутьеррес, Рафаэль; и другие. (1999). «Шарово-цепные димеры из горячей фуллереновой плазмы» (PDF) . Журнал физической химии А. 103 (27): 5275–5284. Бибкод : 1999JPCA..103.5275S. дои : 10.1021/jp9906379.
  38. ^ Ли, Ю.; Хуанг, Ю.; Ду, Шисюань; Лю, Жочжуан (2001). «Структуры и стабильности C
    60    -кольца». Письма по химической физике . 335 (5–6): 524–532. Бибкод : 2001CPL...335..524L. doi : 10.1016/S0009-2614(01)00064-1.
  39. ^ Гонсалес Швацки, Н.; Садрзаде, А.; Якобсон, Б. (2007). " Б
    80    Фуллерен: предсказание Ab Initio геометрии, стабильности и электронной структуры». Physical Review Letters . 98 (16): 166804. Бибкод : 2007PhRvL..98p6804G. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.166804. PMID  17501448.
  40. ^ Гопакумар, Г.; Нгуен, Монтана; Сеулеманс, А. (2008). «Борный бакибол обладает неожиданной симметрией Th». Письма по химической физике . 450 (4–6): 175–177. arXiv : 0708.2331 . Бибкод : 2008CPL...450..175G. doi : 10.1016/j.cplett.2007.11.030. S2CID  97264790.
  41. ^ Аб Де, С.; Уилланд, А.; Амслер, М.; и другие. (2011). «Энергетический ландшафт фуллереновых материалов: сравнение бора с нитридом бора и углеродом». Письма о физических отзывах . 106 (22): 225502. arXiv : 1012.3076 . Бибкод : 2011PhRvL.106v5502D. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.225502. PMID  21702613. S2CID  16414023.
  42. ^ Чжай, Хуа-Цзинь; Я-Фань Чжао; Вэй-Ли Ли; и другие. (13 июля 2014 г.). «Наблюдение полностью борного фуллерена». Природная химия . 6 (8): 727–731. Бибкод : 2014NatCh...6..727Z. дои : 10.1038/nchem.1999. ISSN  1755-4349. ПМИД  25054944.
  43. ^ Генут, Иддо; Яффе, Томер (15 февраля 2006 г.). «Защита солдат завтрашнего дня». ИсраКаст . Архивировано из оригинала 26 марта 2008 года.
  44. ^ Цуй, Ли-Фэн; Синь Хуан; Лей-Мин Ван; и другие. (1 июля 2006 г.). «Sn122-: Станнасферен». Журнал Американского химического общества . 128 (26): 8390–8391. дои : 10.1021/ja062052f. ISSN  0002-7863. ПМИД  16802791.
  45. ^ Цуй, Ли-Фэн; Синь Хуан; Лей-Мин Ван; и другие. (1 августа 2006 г.). «Pb122-: Плюмбасферен». Журнал физической химии А. 110 (34): 10169–10172. Бибкод : 2006JPCA..11010169C. дои : 10.1021/jp063617x. ISSN  1089-5639. ПМИД  16928103.
  46. ^ WLF Армарего; Кристина Ли Линь Чай (11 мая 2009 г.). Очистка лабораторных химикатов. Баттерворт-Хайнеманн. стр. 214–. ISBN 978-1-85617-567-8. Проверено 26 декабря 2011 г.
  47. ^ Сан, Марк К. Никлаус; Жуй-хуа, Се (2005). «Структура, стабильность и ЯМР-свойства низших фуллеренов C38-C50 и азафуллерена C44N6». Дж. Физ. Хим . 109 (20): 4617–4622. Бибкод : 2005JPCA..109.4617S. дои : 10.1021/jp0450181. ПМИД  16833800.
  48. ^ Тильген, Карло; Херрманн, Андреас; Дидерих, Франсуа (14 ноября 1997 г.). «Ковалентная химия высших фуллеренов: C70 и далее». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 36 (21): 2268–2280. дои : 10.1002/anie.199722681.
  49. ^ Маргадонна, Серена; Браун, Крейг М.; Деннис, Т. Джон С.; и другие. (июль 1998 г.). «Кристаллическая структура высшего фуллерена С». Химия материалов . 10 (7): 1742–1744. дои : 10.1021/cm980183c.
  50. ^ Манолопулос, Дэвид Э.; Фаулер, Патрик В. (1991). «Структурные предложения по эндоэдральным металлофуллереновым комплексам». Письма по химической физике . 187 (1–2): 1–7. Бибкод : 1991CPL...187....1M. дои : 10.1016/0009-2614(91)90475-О.
  51. ^ аб Дидерих, Франсуа; Уеттен, Роберт Л. (1992). «За пределами C60: высшие фуллерены». Отчеты о химических исследованиях . 25 (3): 119. doi :10.1021/ar00015a004.
  52. ^ К. Вира Редди (1 января 1998 г.). Симметрия и спектроскопия молекул. Нью Эйдж Интернэшнл. стр. 126–. ISBN 978-81-224-1142-3. Проверено 26 декабря 2011 г.
  53. ^ Кавада, Х.; Фуджи, Ю.; Накао, Х.; и другие. (1995). «Структурные аспекты C
    82    и С
    76    кристаллы, изученные методом дифракции рентгеновских лучей». Physical Review B. 51 ( 14): 8723–8730. doi : 10.1103/PhysRevB.51.8723. PMID  9977506.
  54. ^ abc Пауэлл, Вашингтон; Коцци, Ф.; Мосс, врач общей практики; и другие. (2002). «Номенклатура фуллеренов C60-Ih и C70-D5h(6) (Рекомендации IUPAC 2002)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 74 (4): 629–695. дои : 10.1351/pac200274040629. S2CID  93423610.
  55. ^ «Фуллерен», Британская энциклопедия онлайн.
  56. ^ аб Диана, Нурамалина; Ямада, Ясухиро; Года, Сюн; и другие. (1 февраля 2021 г.). «Углеродные материалы с высокой плотностью пентагона». Журнал материаловедения . 56 (4): 2912–2943. Бибкод : 2021JMatS..56.2912D. doi : 10.1007/s10853-020-05392-x. ISSN  1573-4803. S2CID  224784081.
  57. ^ Ким, Юнгпиль; Ямада, Ясухиро; Каваи, Мики; и другие. (1 октября 2015 г.). «Спектральное изменение моделируемой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии от графена к фуллерену». Журнал материаловедения . 50 (20): 6739–6747. Бибкод : 2015JMatS..50.6739K. дои : 10.1007/s10853-015-9229-0. ISSN  1573-4803. S2CID  93478144.
  58. ^ Бобры, CM; Цзо, Т. (2006). "Тб 3 Н@ С
    84    : Невероятный эндоэдральный фуллерен яйцевидной формы, нарушающий правило изолированного пятиугольника». Journal of the American Chemical Society . 128 (35): 11352–3. doi :10.1021/ja063636k. PMID  16939248.
  59. ^ Луанн, Б.; Пореда, Роберт Дж.; Хант, Эндрю Г.; и другие. (2007). «Импактное событие на границе перми и триаса: данные о внеземных благородных газах в фуллеренах». Наука . 291 (5508): 1530–3. Бибкод : 2001Sci...291.1530B. дои : 10.1126/science.1057243. PMID  11222855. S2CID  45230096.
  60. ^ Йоханссон, член парламента; Юселиус, Дж.; Сундхольм, Д. (2005). «Сферные токи бакминстерфуллерена». Angewandte Chemie, международное издание . 44 (12): 1843–6. дои : 10.1002/anie.200462348. ПМИД  15706578.
  61. ^ Хиорнс, RC; Клоте, Эрик; Ибарбур, Эммануэль; и другие. (2010). «Синтез донорно-акцепторных мультиблок-сополимеров, включающих повторяющиеся звенья фуллереновой основной цепи». Макромолекулы . 14. 43 (14): 6033–6044. Бибкод : 2010MaMol..43.6033H. дои : 10.1021/ma100694y.
  62. ^ Бланк, В.; Попов, М.; Пивоваров Г.; и другие. (1998). «Сверхтвердые и сверхтвердые фазы фуллерита С
    60    : Сравнение с алмазом по твердости и износу». Алмаз и родственные материалы . 7 (2–5): 427–431. Bibcode : 1998DRM.....7..427B. CiteSeerX  10.1.1.520.7265 . doi : 10.1016/ С0925-9635(97)00232-Х.
  63. ^ Бек, Михай Т.; Манди, Геза (1997). «Растворимость C
    60    «. Фуллерены, нанотрубки и углеродные наноструктуры . 5 (2): 291–310. doi : 10.1080/15363839708011993.
  64. ^ Безмельницын, В.Н.; Елецкий А.В.; Окунь, М.В. (1998). «Фуллерены в растворах». Успехи физики . 41 (11): 1091–1114. Бибкод : 1998PhyU...41.1091B. doi : 10.1070/PU1998v041n11ABEH000502. S2CID  250785669.
  65. ^ Руофф, РС; Це, Дорис С.; Малхотра, Рипудаман; Лоренц, Дональд К. (1993). «Растворимость фуллерена (C60) в различных растворителях» (PDF) . Журнал физической химии . 97 (13): 3379–3383. дои : 10.1021/j100115a049. Архивировано из оригинала (PDF) 8 мая 2012 года . Проверено 24 февраля 2015 г.
  66. ^ Сивараман, Н.; Дамодаран, Р.; Калиаппан, И.; и другие. (1994). «Растворимость C
    70    в органических растворителях». Фуллереновая наука и технология . 2 (3): 233–246. doi : 10.1080/15363839408009549.
  67. ^ Семенов, КН; Чарыков Н.А.; Кескинов В.А.; и другие. (2010). «Растворимость легких фуллеренов в органических растворителях». Журнал химических и инженерных данных . 55 : 13–36. дои : 10.1021/je900296s.
  68. ^ Талызин, А.В. (1997). «Фазовый переход С»
    60    − С
    60    *4 С
    6    ЧАС
    6    в жидком бензоле». Журнал физической химии B. 101 ( 47): 9679–9681. doi : 10.1021/jp9720303.
  69. ^ Талызин, А.В.; Энгстрем, И. (1998). " С
    70    в растворах бензола, гексана и толуола». Журнал физической химии B. 102 ( 34): 6477–6481. doi : 10.1021/jp9815255.
  70. ^ Арндт, М.; Наирз, Олаф; Вос-Андреа, Джулиан; и другие. (1999). «Волново-частичный дуализм C60» (PDF) . Природа . 401 (6754): 680–2. Бибкод : 1999Natur.401..680A. дои : 10.1038/44348. PMID  18494170. S2CID  4424892.
  71. ^ Кац, Э.А. (2006). «Тонкие пленки фуллерена как фотоэлектрический материал». В Соге, Тецуо (ред.). Наноструктурированные материалы для преобразования солнечной энергии . Эльзевир. стр. 372, 381. ISBN. 978-0-444-52844-5.
  72. ^ abc Поддержка нисходящей теории формирования «бакиболов». kurzweilai.net. 24 сентября 2013 г.
  73. ^ Чжан, Дж.; Боулз, Флорида; Берден, Д.В.; и другие. (2013). «Недостающее звено в переходе от асимметричных к симметричным металлофуллереновым клеткам подразумевает нисходящий механизм образования фуллеренов». Природная химия . 5 (10): 880–885. Бибкод : 2013NatCh...5..880Z. дои : 10.1038/nchem.1748. ПМИД  24056346.
  74. ↑ Бобровский, Мацей (1 октября 2019 г.). «Наноструктуры и компьютерное моделирование в материаловедении» (PDF) . Проверено 3 февраля 2020 г. .
  75. ^ Осава, Эйдзи (2002). Перспективы фуллереновой нанотехнологии. Springer Science & Business Media. п. 29. ISBN 978-0-7923-7174-8.
  76. ^ Арикава, Минеюки (2006). «Фуллерены — привлекательный наноуглеродный материал и технология его производства». Представления о нанотехнологиях . 2 (3): 121–128. ISSN  1660-6795.
  77. ^ Кац, Э.А. (2006). «Тонкие пленки фуллерена как фотоэлектрический материал». В Соге, Тецуо (ред.). Наноструктурированные материалы для преобразования солнечной энергии . Эльзевир. стр. 361–443. дои : 10.1016/B978-044452844-5/50014-7. ISBN 978-0-444-52844-5.
  78. ^ ab Г. Лалвани и Б. Ситхараман, Многофункциональные нанобиоматериалы на основе фуллеренов и металлофуллеренов, NanoLIFE 08/2013; 3:1342003. DOI: 10.1142/S1793984413420038 Полный текст PDF
  79. ^ Джонс, Д. (1966). «Заметка в колонке Ариадны». Новый учёный . 32 : 245.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с фуллереном.
У Схолии есть тематический профиль по Фуллерену .