stringtranslate.com

Фуллерен

Модель фуллерена С 60 (бакминстерфуллерена).
Модель фуллерена С20 .
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, образуя замкнутую или частично замкнутую сетку с конденсированными кольцами из пяти-семи атомов. Молекулы могут иметь полые сферические и эллипсоидные формы, трубки или другие формы.

Фуллерены с топологией замкнутой сетки неформально обозначаются их эмпирической формулой C n , часто записываемой как C n , где n — число 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 называются бакиболами из-за их сходства со стандартным мячом для американского футбола («соккер») . Вложенные закрытые фуллерены были названы баки-луковицами . Цилиндрические фуллерены также называются углеродными нанотрубками или бакитрубками . [1] Объемная твердая форма чистых или смешанных фуллеренов называется фуллеритом . [2]

Фуллерены были предсказаны в течение некоторого времени, но только после их случайного синтеза в 1985 году они были обнаружены в природе [3] [4] и в космосе. [5] [6] Открытие фуллеренов значительно расширило число известных аллотропов углерода, которые ранее были ограничены графитом, алмазом и аморфным углеродом, таким как сажа и древесный уголь . Они были предметом интенсивных исследований, как в отношении их химии, так и в отношении их технологических приложений, особенно в материаловедении , электронике и нанотехнологиях . [7]

Определение

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

История

Икосаэдрический фуллерен C​
540, еще один член семейства фуллеренов

Прогнозы и ограниченные наблюдения

Икосаэдрический 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 является подмножеством формы футбольного мяча, и выдвинул гипотезу, что может существовать и полная форма мяча. Японские научные журналы сообщили о его идее, но ни она, ни какие-либо ее переводы не достигли Европы или Америки.

Также в 1970 году Р. У. Хенсон (тогда работавший в Исследовательском центре атомной энергии Великобритании ) предложил C
60структуру и сделал ее модель. К сожалению, доказательства этой новой формы углерода были очень слабыми в то время, поэтому предложение было встречено скептически и никогда не было опубликовано. Оно было признано только в 1999 году. [12] [13]

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

Около 1980 года Сумио Иидзима идентифицировал молекулу C
60из электронного микроскопического изображения технического углерода , где он образовал ядро ​​частицы со структурой «луковицы». [15]

Также в 1980-х годах в Массачусетском технологическом институте Милдред Дрессельхаус и Моринобу Эндо в сотрудничестве с Т. Венкатесаном руководили исследованиями по взрыву графита лазерами, в результате чего образовывались углеродные кластеры атомов, которые позже были идентифицированы как «фуллерены». [16]

ОткрытиеС60

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

В конечном итоге для C было выбрано название «бакминстерфуллерен».
60первооткрывателями как дань уважения американскому архитектору Бакминстеру Фуллеру за смутное сходство структуры с геодезическими куполами , которые он популяризировал; которые, если бы они были расширены до полной сферы, также имели бы икосаэдрическую группу симметрии. [18] Окончание «ен» было выбрано для указания на то, что атомы углерода ненасыщены , поскольку связаны только с тремя другими атомами вместо обычных четырех. Сокращенное название «фуллерен» в конечном итоге стало применяться ко всему семейству.

Крото, Кёрл и Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 года [19] за их роль в открытии этого класса молекул.

Дальнейшее развитие событий

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

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

Методы производства были улучшены многими учеными, включая Дональда Хаффмана , Вольфганга Кречмера , Лоуэлла Д. Лэмба и Константиноса Фостиропулоса . [23] Благодаря их усилиям к 1990 году было относительно легко производить образцы порошка фуллерена размером в грамм. Очистка фуллерена остается проблемой для химиков и в значительной степени определяет цены на фуллерен.

В 2010 году спектральные сигнатуры C 60 и C 70 были обнаружены инфракрасным телескопом НАСА Spitzer в облаке космической пыли, окружающем звезду в 6500 световых годах 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 словам астронома Летиции Стангеллини, «возможно, что бакиболы из внешнего космоса дали семена жизни на Земле». [24] В 2019 году ионизированные молекулы C 60 были обнаружены космическим телескопом Хаббл в пространстве между этими звездами. [25] [26]

Типы

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

Бакиболы

С
60с изоповерхностью плотности электронов основного состояния, рассчитанной с помощью DFT
Вращающийся вид C
60, один вид фуллерена

Бакминстерфуллерен

Бакминстерфуллерен — наименьшая молекула фуллерена, содержащая пентагональные и гексагональные кольца, в которых ни один из двух пентагонов не имеет общего ребра (что может быть дестабилизирующим, как в пенталене ). Он также наиболее распространен с точки зрения природного происхождения, поскольку его часто можно найти 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 ребра многоугольника.

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

Молекула бакминстерфуллерена имеет две длины связей. Кольцевые связи 6:6 (между двумя шестиугольниками) можно считать « двойными связями », они короче (1,401 Å), чем связи 6:5 (1,458 Å, между шестиугольником и пятиугольником). Средневзвешенная длина связи составляет 1,44 Å. [29]

Другие фуллерены

Другой довольно распространенный фуллерен имеет эмпирическую формулу C
70, [30] Однако обычно получают фуллерены с 72, 76, 84 и даже до 100 атомов углерода.

Наименьший возможный фуллерен — это додекаэдрический C
20. Фуллеренов с 22 вершинами не существует. [31] Число различных фуллеренов C 2n растет с ростом 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 смежных пятиугольников (самый маленький такой фуллерен). Для дальнейшей иллюстрации роста, существует 214,127,713 неизоморфных фуллеренов C
200, 15 655 672 из которых не имеют смежных пятиугольников. Оптимизированные структуры многих изомеров фуллерена опубликованы и перечислены в Интернете. [32]

Гетерофуллерены имеют гетероатомы, замещающие углероды в клеточных или трубчатых структурах. Они были открыты в 1993 году [33] и значительно расширяют общий класс соединений фуллеренов и могут иметь оборванные связи на своих поверхностях. Известными примерами являются производные бора, азота ( азафуллерен ), кислорода и фосфора.

Углеродные нанотрубки

Эта вращающаяся модель углеродной нанотрубки демонстрирует ее трехмерную структуру.

Углеродные нанотрубки — это цилиндрические фуллерены. Эти трубки углерода 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. Также есть случаи, когда трубка уменьшается в диаметре перед тем, как закрыться. Их уникальная молекулярная структура приводит к необычайным макроскопическим свойствам, включая высокую прочность на разрыв , высокую электропроводность , высокую пластичность , высокую теплопроводность и относительную химическую инертность (поскольку она цилиндрическая и «плоская» — то есть, у нее нет «открытых» атомов, которые можно легко сместить). Одним из предлагаемых вариантов использования углеродных нанотрубок являются бумажные батареи , разработанные в 2007 году исследователями из Политехнического института Ренсселера . [34] Другое весьма спекулятивное предлагаемое использование в области космических технологий — производство высокопрочных углеродных кабелей, необходимых для космического лифта .

Производные

Бакиболы и углеродные нанотрубки использовались в качестве строительных блоков для большого количества производных и более крупных структур, таких как [27]

Гетерофуллерены и неуглеродные фуллерены

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

Бор

Тип бакибола, в котором вместо обычного углерода используются атомы бора , был предсказан и описан в 2007 году. B
80Структура, в которой каждый атом образует 5 или 6 связей, как было предсказано, более стабильна, чем структура C
60бакибол. [40] Однако последующий анализ показал, что предсказанная симметричная структура I h была вибрационно нестабильна, и полученная клетка претерпела бы спонтанное нарушение симметрии, что привело бы к образованию складчатой ​​клетки с редкой симметрией T h (симметрия волейбольного мяча ). [41] Количество шестичленных колец в этой молекуле равно 20, а количество пятичленных колец равно 12. В центре каждого шестичленного кольца имеется дополнительный атом, связанный с каждым атомом, окружающим его. Используя систематический алгоритм глобального поиска, позже было обнаружено, что ранее предложенныйб
80Фуллерен не является глобальным максимумом для 80-атомных кластеров бора и, следовательно, не может быть обнаружен в природе; наиболее стабильные конфигурации имеют сложный вид. [42] В той же статье сделан вывод о том, что энергетический ландшафт бора, в отличие от других, имеет множество неупорядоченных низкоэнергетических структур, поэтому чистые фуллерены бора вряд ли существуют в природе. [42]

Однако нерегулярный B
40Комплекс, названный боросференом, был получен в 2014 году. Этот комплекс имеет две шестиугольные грани и четыре семиугольные грани с симметрией D2d, перемежающейся сеткой из 48 треугольников. [43]

Другие элементы

Неорганические (безуглеродные) структуры типа фуллерена были построены с использованием сульфида молибдена (IV) (MoS 2 ), долгое время использовавшегося в качестве графитоподобной смазки, вольфрама (WS 2 ) , титана (TiS 2 ) и ниобия (NbS 2 ) . Было обнаружено, что эти материалы стабильны до как минимум 350 тонн/см 2 (34,3 ГПа ). [44]

Икосаэдрические или искаженно-икосаэдрические фуллереноподобные комплексы были также получены для германия , олова и свинца ; некоторые из этих комплексов достаточно просторны, чтобы удерживать большинство атомов переходных металлов. [45] [46]

Основные фуллерены

Ниже приведена таблица основных синтезированных и охарактеризованных на данный момент фуллеренов с закрытым углеродом, с указанием их номеров CAS , если они известны. [47] Фуллерены с менее чем 60 атомами углерода называются «низшими фуллеренами», [48] а те, у которых более 70 атомов, — «высшими фуллеренами». [49]

В таблице «Num.Isom.» — это число возможных изомеров в рамках «правила изолированного пентагона», которое гласит, что два пентагона в фуллерене не должны иметь общих ребер. [51] [52] «Mol.Symm.» — это симметрия молекулы, [52] [53] тогда как «Cryst.Symm.» — это симметрия кристаллического каркаса в твердом состоянии. Оба указаны для наиболее экспериментально распространенных форм. Звездочкой * отмечены симметрии с более чем одной хиральной 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. [54] Как моноклинная, так и гранецентрированная кубическая (ГЦК) фазы известны лучше охарактеризованным 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. [55]

В математических терминах комбинаторная топология (то есть атомы углерода и связи между ними, игнорируя их положения и расстояния) фуллерена с замкнутой оболочкой с простой сферообразной средней поверхностью ( ориентируемой , рода ноль) может быть представлена ​​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, находящуюся сразу за этой гранью; так что все остальные вершины проецируются внутрь этой грани.

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

Закрытый фуллерен со сфероподобной оболочкой должен иметь по крайней мере некоторые циклы, которые являются пятиугольниками или семиугольниками. Точнее, если все грани имеют 5 или 6 сторон, то из формулы многогранника Эйлера следует , V − E + F =2 (где V , E , F — числа вершин, ребер и граней), что V должно быть четным, и что должно быть ровно 12 пятиугольников и V /2−10 шестиугольников. Аналогичные ограничения существуют, если фуллерен имеет семиугольные (семиатомные) циклы. [56]

Склеивание

Поскольку каждый атом углерода связан только с тремя соседями, вместо обычных четырех, принято описывать эти связи как смесь одинарных и двойных ковалентных связей . Сообщается, что гибридизация углерода в C 60 составляет sp 2,01 . [57] Состояние связи можно проанализировать с помощью спектроскопии Рамана , ИК-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии . [57] [58]

Инкапсуляция

Дополнительные атомы, ионы, кластеры или небольшие молекулы могут быть захвачены внутри фуллеренов, образуя соединения включения, известные как эндоэдральные фуллерены . Необычным примером является яйцевидный фуллерен Tb 3 N@ C
84, что нарушает правило изолированного пятиугольника. [59] Доказательства падения метеорита в конце пермского периода были обнаружены путем анализа благородных газов, сохранившихся благодаря захвату фуллеренами. [60]

Исследовать

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

Существует множество расчетов, которые были сделаны с использованием ab-initio квантовых методов, 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.

Ароматичность

Исследователи смогли повысить реакционную способность фуллеренов, прикрепив активные группы к их поверхностям. Бакминстерфуллерен не проявляет « суперароматичности »: то есть электроны в гексагональных кольцах не делокализованы по всей молекуле.

Сферический фуллерен из n атомов углерода имеет n пи-связывающих электронов, свободных для делокализации. Они должны попытаться делокализоваться по всей молекуле. Квантовая механика такого расположения должна быть похожа только на одну оболочку хорошо известной квантово-механической структуры одного атома со стабильной заполненной оболочкой для n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128 и т. д. (т. е. дважды полный квадрат числа ), но эта серия не включает 60. Это правило 2( N  + 1) 2 (с целым числом N ) для сферической ароматичности является трехмерным аналогом правила Хюккеля . Катион 10+ будет удовлетворять этому правилу и должен быть ароматическим. Это было показано с помощью квантово-химического моделирования, которое показало существование сильных диамагнитных сферических токов в катионе. [61]

В результате С
60в воде имеет тенденцию забирать еще два электрона и становиться анионом . N C
60описанное ниже может быть результатом C
60пытаясь образовать свободную металлическую связь .

Реакции

Полимеризация

Под высоким давлением и температурой бакиболы разрушаются, образуя различные одно-, двух- или трехмерные углеродные структуры. Одноцепочечные полимеры образуются с использованием маршрута полимеризации с радикальным присоединением с переносом атома (ATRAP). [62]

«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. [63]

Фуллерит ( изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа )

Химия

Фуллерены стабильны, но не полностью нереакционноспособны. Атомы углерода в состоянии sp2 - гибридизации, которые находятся на минимальной энергии в плоском графите , должны быть согнуты, чтобы сформировать замкнутую сферу или трубку, что создает угловую деформацию . Характерной реакцией фуллеренов является электрофильное присоединение по 6,6-двойным связям, которое уменьшает угловую деформацию путем изменения sp2 - гибридизованных углеродов в sp3 - гибридизованные. Изменение гибридизованных орбиталей приводит к уменьшению углов связи примерно со 120° в sp2 - орбиталях до примерно 109,5° в sp3 - орбиталях. Это уменьшение углов связи позволяет связям меньше изгибаться при закрытии сферы или трубки, и, таким образом, молекула становится более стабильной.

Растворимость

С
60в растворе
С
60в оливковом масле первого 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 являются единственным известным аллотропом углерода, который может быть растворен в обычных растворителях при комнатной температуре. [64] [65] [66] [67] [68] Среди лучших растворителей - 1-хлорнафталин , который растворяет 51 г/л C 60 .

Растворы чистого бакминстерфуллерена имеют темно-фиолетовый цвет. Растворы C
70красновато-коричневый. Высшие фуллерены C
76к С
84имеют разнообразную цветовую гамму.

Кристаллы C размером в миллиметр
60и С
70, как в чистом виде, так и в виде сольвата, можно выращивать из раствора бензола. Кристаллизация C
60из раствора бензола ниже 30 °C (когда растворимость максимальна) дает триклинный твердый сольват C
60·4 С
6ЧАС
6. Выше 30 °C получается свободный от сольватов ГЦК C
60. [69] [70]

Квантовая механика

В 1999 году исследователи из Венского университета продемонстрировали, что корпускулярно-волновой дуализм применим к таким молекулам, как фуллерен. [71]

Сверхпроводимость

Фуллерены обычно являются электрическими изоляторами, но при кристаллизации со щелочными металлами полученное соединение может быть проводящим или даже сверхпроводящим. [72]

Хиральность

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

Стабильность

Для описания молекулярных механизмов, которые создают фуллерены, были предложены две теории. Более 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. [73]

В 2013 году исследователи обнаружили, что асимметричные фуллерены, образованные 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 клетки. В результате процесса было получено около 100 микрограммов. [73]

Однако они обнаружили, что асимметричная молекула теоретически может разрушиться, образуя почти все известные фуллерены и металлофуллерены. Незначительные возмущения, включающие разрыв нескольких молекулярных связей, заставляют клетку становиться высокосимметричной и стабильной. Это понимание подтверждает теорию о том, что фуллерены могут быть образованы из графена, когда соответствующие молекулярные связи разрываются. [73] [74]

Систематическое наименование

Согласно ИЮПАК , чтобы назвать фуллерен, необходимо указать число атомов-членов для колец, которые составляют фуллерен, его точечную группу симметрии в нотации Шенфлиса и общее число атомов. Например, бакминстерфуллерен C 60 систематически называется ( C
60- I h )[5,6]фуллерен. Название точечной группы должно быть сохранено в любой производной указанного фуллерена, даже если эта симметрия теряется при выводе.

Для указания положения замещенных или присоединенных элементов атомы фуллерена обычно нумеруются в спиральной дорожке, обычно начиная с кольца на одной из главных осей. Если структура фуллерена не допускает такой нумерации, выбирается другой начальный атом, чтобы все же достичь последовательности спиральной дорожки.

Последнее относится к C 70 , который является ( C
70- D 5h(6) )[5,6]фуллерен в нотации ИЮПАК. Симметрия D 5h(6) означает, что это изомер, в котором ось C 5 проходит через пятиугольник, окруженный шестиугольниками, а не пятиугольниками. [55]

В номенклатуре ИЮПАК полностью насыщенные аналоги фуллеренов называются фуллеранами . Если в сетке один или несколько атомов углерода замещены другими элементами , соединение называется гетерофуллереном . Если двойная связь заменяется метиленовым мостиком −CH 2 − , то полученная структура является гомофуллереном . Если атом полностью удален и недостающие валентности насыщены атомами водорода, то это норфуллерен . Когда связи удаляются (как сигма, так и пи), соединение становится секофуллереном ; если некоторые новые связи добавляются в нетрадиционном порядке, то это циклофуллерен . [55]

Производство

Производство фуллеренов обычно начинается с производства богатой фуллеренами сажи. Первоначальный (и до сих пор актуальный) метод заключался в пропускании большого электрического тока между двумя соседними графитовыми электродами в инертной атмосфере. Образующаяся электрическая дуга испаряет углерод в плазму , которая затем охлаждается до состояния сажистого остатка. [17] В качестве альтернативы сажа производится путем лазерной абляции графита или пиролиза ароматических углеводородов . [75] [ необходима цитата ] Сжигание бензола является наиболее эффективным процессом, разработанным в Массачусетском технологическом институте . [76] [77]

Эти процессы дают смесь различных фуллеренов и других форм углерода. Затем фуллерены извлекаются из сажи с использованием соответствующих органических растворителей и разделяются хроматографией . [78] : стр.369  Можно получить миллиграммовые количества фуллеренов с 80 атомами или более. C 76 , C 78 и C 84 доступны в продаже.

Приложения

Биомедицинский

Функционализированные фуллерены были тщательно исследованы для нескольких потенциальных биомедицинских применений, включая высокоэффективные контрастные агенты для МРТ , контрастные агенты для рентгеновских снимков, фотодинамическую терапию для лечения опухолей, [79] [80] и доставку лекарств и генов. [81] [82]

Безопасность и токсичность

В 2013 году был опубликован всеобъемлющий обзор токсичности фуллерена, в котором рассматривались работы, начатые в начале 1990-х годов, и был сделан вывод о том, что с момента открытия фуллеренов было собрано очень мало доказательств, указывающих на то, что C
60является токсичным. [81] 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 фуллерена или металлофуллерена индивидуально как отдельного соединения.

Популярная культура

Примеры фуллеренов часто встречаются в популярной культуре . Фуллерены появились в художественной литературе задолго до того, как ученые серьезно заинтересовались ими. В юмористически-спекулятивной колонке 1966 года для New Scientist Дэвид Джонс предположил возможность создания гигантских полых молекул углерода путем искажения плоской гексагональной сетки с добавлением примесных атомов. [83]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Определение BUCKYTUBE». www.merriam-webster.com .
  2. ^ "fullerite". Архивировано из оригинала 23 октября 2015 г.
  3. ^ ab Buseck, PR; Tsipursky, SJ; Hettich, R. (1992). «Фуллерены из геологической среды». Science . 257 (5067): 215–7. Bibcode :1992Sci...257..215B. doi :10.1126/science.257.5067.215. PMID  17794751. S2CID  4956299.
  4. ^ ab "Аллотропы углерода". Интерактивная нановизуализация в научном и инженерном образовании . Архивировано из оригинала 18 июня 2010 г. Получено 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 Звезды обнаруживают углеродные «космические шары», BBC, 22 июля 2010 г.
  7. ^ Белкин, А.; и др. (2015). «Самоорганизующиеся колеблющиеся наноструктуры и принцип максимального производства энтропии». Sci. Rep . 5 : 8323. Bibcode : 2015NatSR...5E8323B. doi : 10.1038/srep08323. PMC 4321171. PMID  25662746. 
  8. ^ Godly, EW; Taylor, R. (1997). «Номенклатура и терминология фуллеренов» (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 69 (7): 1411–1434. doi :10.1351/pac199769071411. S2CID  94299129.
  9. ^ Шульц, HP (1965). «Топологическая органическая химия. Полиэдраны и призманы». Журнал органической химии . 30 (5): 1361–1364. doi :10.1021/jo01016a005.
  10. ^ Осава, Э. (1970). «Суперароматика». Кагаку . 25 : 854–863.
  11. ^ Хэлфорд, Б. (9 октября 2006 г.). «Мир глазами Рика». Chemical & Engineering News . 84 (41): 13–19. doi :10.1021/cen-v084n041.p013.
  12. ^ Троуэр, PA (1999). "Editorial". Carbon . 37 (11): 1677–1678. Bibcode : 1999Carbo..37.1677.. doi : 10.1016/S0008-6223(99)00191-8.
  13. ^ Хенсон, Р. В. "История углерода 60 или бакминстерфуллерена". Архивировано из оригинала 15 июня 2013 г.
  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 углеродной саже с помощью электронной микроскопии высокого разрешения». Журнал роста кристаллов . 50 (3): 675–683. Bibcode : 1980JCrGr..50..675I. doi : 10.1016/0022-0248(80)90013-5.
  16. ^ "Mildred S. Dresselhaus". Институт Франклина . 5 октября 2016 г. Получено 8 октября 2022 г.
  17. ^ abc Крото, HW; Хит, младший; Обриен, Южная Каролина; и др. (1985). " С
    60    : Бакминстерфуллерен". Nature . 318 (6042): 162–163. Bibcode :1985Natur.318..162K. doi :10.1038/318162a0. S2CID  4314237.
  18. ^ Бакминстерфуллерен, C60. Группа фуллеренов Сассекса. chm.bris.ac.uk
  19. ^ "Нобелевская премия по химии 1996 года" . Получено 7 февраля 2014 года .
  20. ^ Mraz, SJ (14 апреля 2005 г.). "Новый бакиболл отскакивает в город". Machine Design . Архивировано из оригинала 13 октября 2008 г.
  21. ^ Иидзима, Сумио (1991). «Спиральные микротрубочки графитового углерода». Nature . 354 (6348): 56–58. Bibcode :1991Natur.354...56I. doi :10.1038/354056a0. S2CID  4302490.
  22. ^ Рейли, ПТА; Гирей, РА; Уиттен, У. Б.; Рэмси, Дж. М. (2000). «Эволюция фуллеренов в саже, образующейся в пламени». Журнал Американского химического общества . 122 (47): 11596–11601. doi :10.1021/ja003521v. ISSN  0002-7863.
  23. ^ Кречмер, В.; Лэмб, Лоуэлл Д.; Фостиропулос, К.; Хаффман, Дональд Р. (1990). «Твердый C60: новая форма углерода». Nature . 347 (6291): 354–358. Bibcode :1990Natur.347..354K. doi :10.1038/347354a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4359360.
  24. ^ Аткинсон, Нэнси (27 октября 2010 г.). «Бакиболы могли бы быть в изобилии во Вселенной». Universe Today . Получено 28 октября 2010 г.
  25. ^ Старр, Мишель (29 апреля 2019 г.). «Космический телескоп Хаббл только что обнаружил убедительные доказательства существования межзвездных бакиболов». ScienceAlert.com . Получено 29 апреля 2019 г. .
  26. ^ Кординер, MA; и др. (22 апреля 2019 г.). «Подтверждение межзвездного C60 + с помощью космического телескопа Хаббла». The Astrophysical Journal Letters . 875 (2): L28. arXiv : 1904.08821 . Bibcode : 2019ApJ...875L..28C. doi : 10.3847/2041-8213/ab14e5 . S2CID  121292704.
  27. ^ ab Miessler, GL; Tarr, DA (2004). Неорганическая химия (3-е изд.). Pearson Education . ISBN 978-0-13-120198-9.
  28. ^ Цяо, Руи; Робертс, Аарон П.; Маунт, Эндрю С.; и др. (2007). «Транслокация C
    60    и его производные через липидный бислой». Nano Letters . 7 (3): 614–9. Bibcode : 2007NanoL...7..614Q. CiteSeerX  10.1.1.725.7141 . doi : 10.1021/nl062515f. PMID  17316055.
  29. ^ Хедберг, Кеннет; Хедберг, Лиз; Бетьюн, Дональд С.; Браун, Калифорния; Дорн, ХК; Джонсон, Роберт Д.; Де Вриз, М. (18 октября 1991 г.). «Длины связей в свободных молекулах бакминстерфуллерена, C 60, по данным газофазной электронной дифракции». Science . 254 (5030): 410–412. doi :10.1126/science.254.5030.410. ISSN  0036-8075. PMID  17742230.
  30. ^ Локк, У. (13 октября 1996 г.). «Бакминстерфуллерен: молекула месяца». Имперский колледж . Получено 4 июля 2010 г.
  31. ^ Мейя, Юрис (2006). «Голдберг-вариации Challenge» (PDF) . Аналитическая и биоаналитическая химия . 385 (1): 6–7. doi :10.1007/s00216-006-0358-9. PMID  16598460. S2CID  95413107.
  32. ^ Фаулер, П. В. и Манолопулос, Д. Э. Фуллерены Cn. nanotube.msu.edu
  33. ^ Харрис, DJ «Открытие нитрошариков: исследования в области химии фуллеренов» http://www.usc.edu/CSSF/History/1993/CatWin_S05.html Архивировано 29 ноября 2015 г. на Wayback Machine
  34. ^ Pushparaj, VL; Shaijumon, Manikoth M.; Kumar, A.; et al. (2007). «Гибкие устройства хранения энергии на основе нанокомпозитной бумаги». Труды Национальной академии наук . 104 (34): 13574–7. Bibcode : 2007PNAS..10413574P. doi : 10.1073/pnas.0706508104 . PMC 1959422. PMID  17699622 . 
  35. ^ Ugarte, D. (1992). «Скручивание и замыкание графитовых сетей под электронно-лучевым облучением». Nature . 359 (6397): 707–709. Bibcode :1992Natur.359..707U. doi :10.1038/359707a0. PMID  11536508. S2CID  2695746.
  36. ^ Сано, Н.; Ванг, Х.; Чховалла, М.; и др. (2001). «Синтез углеродных «луковиц» в воде». Nature . 414 (6863): 506–7. Bibcode :2001Natur.414..506S. doi :10.1038/35107141. PMID  11734841. S2CID  4431690.
  37. ^ Митчел, DR; Браун, Р. Малкольм-младший (2001). «Синтез мегатрубок: новые измерения в углеродных материалах». Неорганическая химия . 40 (12): 2751–5. doi :10.1021/ic000551q. PMID  11375691.
  38. ^ Шварцбург, AA; Хадгинс, RR; Гутьеррес, Рафаэль; и др. (1999). "Ball-and-Chain Dimers from a Hot Fullerene Plasma" (PDF) . Журнал физической химии A. 103 ( 27): 5275–5284. Bibcode : 1999JPCA..103.5275S. doi : 10.1021/jp9906379.
  39. ^ Ли, Ю.; Хуанг, Ю.; Ду, Шисюань; Лю, Жочжуан (2001). «Структуры и стабильности C
    60    -кольца". Письма в журнал химической физики . 335 (5–6): 524–532. Bibcode : 2001CPL...335..524L. doi : 10.1016/S0009-2614(01)00064-1.
  40. ^ Гонсалес Швацки, Н.; Садрзаде, А.; Якобсон, Б. (2007). " Б
    80    Фуллерен: первопринципное предсказание геометрии, стабильности и электронной структуры". Physical Review Letters . 98 (16): 166804. Bibcode : 2007PhRvL..98p6804G. doi : 10.1103/PhysRevLett.98.166804. PMID  17501448.
  41. ^ Gopakumar, G.; Nguyen, MT; Ceulemans, A. (2008). «Борный бакиболл имеет неожиданную симметрию Th». Chemical Physics Letters . 450 (4–6): 175–177. arXiv : 0708.2331 . Bibcode : 2008CPL...450..175G. doi : 10.1016/j.cplett.2007.11.030. S2CID  97264790.
  42. ^ ab De, S.; Willand, A.; Amsler, M.; et al. (2011). "Энергетический ландшафт фуллереновых материалов: сравнение бора с нитридом бора и углеродом". Physical Review Letters . 106 (22): 225502. arXiv : 1012.3076 . Bibcode :2011PhRvL.106v5502D. doi :10.1103/PhysRevLett.106.225502. PMID  21702613. S2CID  16414023.
  43. ^ Чжай, Хуа-Цзинь; Я-Фань Чжао; Вэй-Ли Ли; и др. (13 июля 2014 г.). «Наблюдение за полностью борным фуллереном». Nature Chemistry . 6 (8): 727–731. Bibcode :2014NatCh...6..727Z. doi :10.1038/nchem.1999. ISSN  1755-4349. PMID  25054944.
  44. ^ Генут, Иддо; Яффе, Томер (15 февраля 2006 г.). «Защита солдат завтрашнего дня». IsraCast . Архивировано из оригинала 26 марта 2008 г.
  45. ^ Cui, Li-Feng; Xin Huang; Lei-Ming Wang; et al. (1 июля 2006 г.). "Sn122-: Stannaspherene". Журнал Американского химического общества . 128 (26): 8390–8391. doi :10.1021/ja062052f. ISSN  0002-7863. PMID  16802791.
  46. ^ Cui, Li-Feng; Xin Huang; Lei-Ming Wang; et al. (1 августа 2006 г.). "Pb122-: Plumbaspherene". Журнал физической химии A. 110 ( 34): 10169–10172. Bibcode :2006JPCA..11010169C. doi :10.1021/jp063617x. ISSN  1089-5639. PMID  16928103.
  47. ^ WLF Armarego; Christina Li Lin Chai (11 мая 2009 г.). Очистка лабораторных химикатов. Butterworth-Heinemann. стр. 214–. ISBN 978-1-85617-567-8. Получено 26 декабря 2011 г.
  48. ^ Sun, Marc C. Nicklaus; Rui-hua, Xie (2005). «Структура, стабильность и свойства ЯМР низших фуллеренов C38−C50 и азафуллерена C44N6». J. Phys. Chem . 109 (20): 4617–4622. Bibcode : 2005JPCA..109.4617S. doi : 10.1021/jp0450181. PMID  16833800.
  49. ^ 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. doi :10.1002/anie.199722681.
  50. ^ Маргадонна, Серена; Браун, Крейг М.; Деннис, Т. Джон С.; и др. (июль 1998 г.). «Кристаллическая структура высшего фуллерена C». Химия материалов . 10 (7): 1742–1744. doi :10.1021/cm980183c.
  51. ^ Манолопулос, Дэвид Э.; Фаулер, Патрик В. (1991). «Структурные предложения для эндоэдральных комплексов металл-фуллерен». Chemical Physics Letters . 187 (1–2): 1–7. Bibcode : 1991CPL...187....1M. doi : 10.1016/0009-2614(91)90475-O.
  52. ^ ab Дидерих, Франсуа; Веттен, Роберт Л. (1992). «За пределами C60: высшие фуллерены». Отчеты о химических исследованиях . 25 (3): 119. doi :10.1021/ar00015a004.
  53. ^ K Veera Reddy (1 января 1998 г.). Симметрия и спектроскопия молекул. New Age International. стр. 126–. ISBN 978-81-224-1142-3. Получено 26 декабря 2011 г.
  54. ^ Кавада, Х.; Фудзии, И.; Накао, Х.; и др. (1995). "Структурные аспекты C
    82    и С
    76    Кристаллы, изученные методом рентгеновской дифракции». Physical Review B. 51 ( 14): 8723–8730. doi :10.1103/PhysRevB.51.8723. PMID  9977506.
  55. ^ abc Powell, WH; Cozzi, F.; Moss, GP; et al. (2002). "Номенклатура фуллеренов C60-Ih и C70-D5h(6) (рекомендации ИЮПАК 2002 г.)" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 74 (4): 629–695. doi :10.1351/pac200274040629. S2CID  93423610.
  56. ^ "Фуллерен", Энциклопедия Британника онлайн
  57. ^ ab Diana, Nooramalina; Yamada, Yasuhiro; Gohda, Syun; et al. (1 февраля 2021 г.). «Углеродные материалы с высокой плотностью пентагонов». Journal of Materials Science . 56 (4): 2912–2943. Bibcode :2021JMatS..56.2912D. doi :10.1007/s10853-020-05392-x. ISSN  1573-4803. S2CID  224784081.
  58. ^ Ким, Юнгпиль; Ямада, Ясухиро; Каваи, Мики; и др. (1 октября 2015 г.). «Спектральное изменение имитированной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии от графена к фуллерену». Журнал материаловедения . 50 (20): 6739–6747. Bibcode : 2015JMatS..50.6739K. doi : 10.1007/s10853-015-9229-0. ISSN  1573-4803. S2CID  93478144.
  59. ^ Биверс, CM; Цзо, T. (2006). "Tb 3 N@ C
    84    : Невероятный эндоэдральный фуллерен яйцевидной формы, нарушающий правило изолированного пентагона». Журнал Американского химического общества . 128 (35): 11352–3. doi :10.1021/ja063636k. PMID  16939248.
  60. ^ Луанн, Б.; Пореда, Роберт Дж.; Хант, Эндрю Г.; и др. (2007). «Ударное событие на границе пермского и триасового периодов: доказательства из внеземных благородных газов в фуллеренах». Science . 291 (5508): 1530–3. Bibcode :2001Sci...291.1530B. doi :10.1126/science.1057243. PMID  11222855. S2CID  45230096.
  61. ^ Йоханссон, MP; Юселиус, J.; Сундхолм, D. (2005). «Сферические токи бакминстерфуллерена». Angewandte Chemie International Edition . 44 (12): 1843–6. doi :10.1002/anie.200462348. PMID  15706578.
  62. ^ Hiorns, RC; Cloutet, Eric; Ibarboure, Emmanuel; et al. (2010). «Синтез донорно-акцепторных мультиблочных сополимеров, включающих повторяющиеся звенья фуллереновой цепи». Macromolecules . 14. 43 (14): 6033–6044. Bibcode :2010MaMol..43.6033H. doi :10.1021/ma100694y.
  63. ^ Бланк, В.; Попов, М.; Пивоваров, Г.; и др. (1998). "Сверхтвердые и сверхтвердые фазы фуллерита C
    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/S0925-9635(97)00232-X.
  64. ^ Бек, Михай Т.; Манди, Геза (1997). «Растворимость C
    60    ". Фуллерены, нанотрубки и углеродные наноструктуры . 5 (2): 291–310. doi :10.1080/15363839708011993.
  65. ^ Безмельницын, ВН; Елецкий, АВ; Окунь, МВ (1998). «Фуллерены в растворах». Успехи физических наук . 41 (11): 1091–1114. Bibcode :1998PhyU...41.1091B. doi :10.1070/PU1998v041n11ABEH000502. S2CID  250785669.
  66. ^ Ruoff, RS; Tse, Doris S.; Malhotra, Ripudaman; Lorents, Donald C. (1993). "Растворимость фуллерена (C60) в различных растворителях" (PDF) . Journal of Physical Chemistry . 97 (13): 3379–3383. doi :10.1021/j100115a049. Архивировано из оригинального (PDF) 8 мая 2012 г. . Получено 24 февраля 2015 г. .
  67. ^ Сивараман, Н.; Дамодаран, Р.; Калиаппан, И.; и др. (1994). «Растворимость C
    70    в органических растворителях». Фуллереновая наука и технология . 2 (3): 233–246. doi :10.1080/15363839408009549.
  68. ^ Семенов, КН; Чарыков, НА; Кескинов, ВА; и др. (2010). «Растворимость легких фуллеренов в органических растворителях». Journal of Chemical & Engineering Data . 55 : 13–36. doi :10.1021/je900296s.
  69. ^ 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.
  70. ^ 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.
  71. ^ Арндт, М.; Наирц, Олаф; Вос-Андреа, Джулиан; и др. (1999). «Корпусно-волновой дуализм C60» (PDF) . Nature . 401 (6754): 680–2. Bibcode : 1999Natur.401..680A. doi : 10.1038/44348. PMID  18494170. S2CID  4424892.
  72. ^ Katz, EA (2006). «Тонкие пленки фуллерена как фотоэлектрический материал». В Sōga, Tetsuo (ред.). Наноструктурированные материалы для преобразования солнечной энергии . Elsevier. стр. 372, 381. ISBN 978-0-444-52844-5.
  73. ^ abc Поддержка теории «сверху вниз» о том, как образуются «бакиболы». kurzweilai.net. 24 сентября 2013 г.
  74. ^ Чжан, Дж.; Боулз, FL; Бирден, Д.В.; и др. (2013). «Отсутствующее звено в преобразовании асимметричных в симметричные металлофуллереновые клетки подразумевает механизм образования фуллеренов сверху вниз». Nature Chemistry . 5 (10): 880–885. Bibcode :2013NatCh...5..880Z. doi :10.1038/nchem.1748. PMID  24056346.
  75. ^ Бобровский, Мачей (1 октября 2019 г.). «Наноструктуры и компьютерное моделирование в материаловедении» (PDF) . Получено 3 февраля 2020 г.
  76. ^ Осава, Эйджи (2002). Перспективы фуллереновой нанотехнологии. Springer Science & Business Media. стр. 29. ISBN 978-0-7923-7174-8.
  77. ^ Арикава, Минеюки (2006). «Фуллерены — привлекательный наноуглеродный материал и технология его производства». Nanotechnology Perceptions . 2 (3): 121–128. ISSN  1660-6795.
  78. ^ Katz, EA (2006). «Тонкие пленки фуллерена как фотоэлектрический материал». В Sōga, Tetsuo (ред.). Наноструктурированные материалы для преобразования солнечной энергии . Elsevier. стр. 361–443. doi :10.1016/B978-044452844-5/50014-7. ISBN 978-0-444-52844-5.
  79. ^ Ху, Чжэнь; Чжан, Чуньхуа; Хуан, Юдун; и др. (2012). "Фотодинамическая противораковая активность водорастворимых C
    60    производные и их биологические последствия в клеточной линии HeLa». Химико-биологические взаимодействия . 195 (1): 86–94. doi :10.1016/j.cbi.2011.11.003. PMID  22108244.
  80. ^ Mroz, Pawel; Pawlak, Anna; Satti, Minahil; et al. (2007). «Функционализированные фуллерены опосредуют фотодинамическое уничтожение раковых клеток: фотохимический механизм типа I по сравнению с типом II». Free Radical Biology & Medicine . 43 (5): 711–719. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2007.05.005. PMC 1995806. PMID  17664135 . 
  81. ^ ab G. Lalwani и B. Sitharaman, Многофункциональные нанобиоматериалы на основе фуллеренов и металлофуллеренов, NanoLIFE 08/2013; 3:1342003. DOI: 10.1142/S1793984413420038 Полный текст PDF
  82. ^ Песадо-Гомес, Касандра; Серрано-Гарсия, Хуан С.; Амайя-Флорес, Андрес; Песадо-Гомес, Густаво; Сото-Контрерас, Анелл; Моралес-Моралес, Дэвид; Колорадо-Перальта, Рауль (2024). «Фуллерены: историческая справка, новая биологическая активность и возможные риски для здоровья». Обзоры координационной химии . 501 : 215550. doi : 10.1016/j.ccr.2023.215550.
  83. ^ Джонс, Д. (1966). «Заметка в колонке Ариадны». New Scientist . 32 : 245.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Фуллерены».
В Scholia есть профиль темы «Фуллерен» .