Молекула «футбольной» формы - фуллерен - кроме своего необычного химического строения обладает еще и биологической активностью. Французские биологи провели над мышами необычный эксперимент - добавляли им в еду фуллерен C 60 , растворенный в оливковом масле. Результат оказался невероятным: продолжительность жизни мышей возросла практически в два раза!

В 1985 году была открыта молекула, состоящая из 60 атомов углерода, устроенная наподобие футбольного мяча (рис. 1), - фуллерен , названный так в честь инженера Ричарда Фуллера , прославившегося конструкциями именно такой формы. Помимо своей удивительно симметричной формы, эта молекула, являющаяся третьей (после алмаза и графита) аллотропной формой углерода, оказалась чем-то вроде философского камня алхимиков . До последнего времени она не перестает удивлять ученых своей крайне низкой токсичностью , (особенно по сравнению с чем-то похоже устроенными нанотрубками ) и другими удивительными свойствами . Механизмы взаимодействия фуллеренов с клетками пока не ясны, но результат поистине можно назвать волшебством .

Рисунок 1. Фуллерен C 60 - молекула, состоящая из 60 атомов углерода (и ничего больше), расположенных так же, как вершины футбольного мяча.

Вот далеко не полный перечень тех свойств, которые заинтересовали медиков и биологов. Фуллерен и его производные можно использовать:

Помимо этого, фуллерен может использоваться для доставки в клетку различных лекарственных веществ и невирусной доставки в клеточное ядро генетических векторов , .

Казалось бы, куда еще расширять этот список, но недавно он пополнился еще одним, пожалуй, самым удивительным и непонятным, качеством фуллерена C 60 . При исследовании токсичности фуллерена C 60 , растворенного в оливковом масле, французские исследователи выяснили, что крысы, регулярно получающие раствор фуллерена C 60 , живут дольше, чем те, которым давали просто оливковое масло или обычную диету .

Растворение в масле резко повышает эффективность фуллерена C 60 , так как его большие агрегаты (16 и более молекул) не способны проникнуть внутрь клеток .

При этом продолжительность жизни увеличивалась не на какие-нибудь 20–30%, как в опытах с лучшими из «лекарств от старости» (такими как ресвератрол или рапамицин), а не менее чем в два раза ! Половина животных, получавших фуллерен, жили до 60 месяцев (самая старая крыса дожила до 5,5 лет). При этом в контрольной группе (с обычной диетой) продолжительность жизни 50% животных составляла 30 месяцев, а самые старые дожили лишь до 37 месяцев. Животные, получавшие оливковое масло без фуллерена, жили немного больше - 50% из них доживали до 40 месяцев, а самая старая крыса дожила до 58 месяцев (рис. 2).

Рисунок 2. Диаграмма выживаемости крыс , получавших: обычную диету (голубая линия ), вдобавок к диете оливковое масло (красная ) и оливковое масло с растворенным в нем фуллереном C 60 (черная линия ).

Животворное действие фуллерена C 60 авторы статьи приписывают его антиоксидантным свойствам. Однако не исключено, что оно может быть связано со способностью фуллерена C 60 взаимодействовать с витамином А . Известно, что ретиноиды (к которым относится и витамин А) играют важную роль в экспрессии ключевых генов иммунной системы, и что локальный синтез ретиноидов, по всей видимости, играет ключевую роль в регуляции эмбриогенеза и регенерации , .

К сожалению, эти опыты были поставлены на небольших группах животных и потому требуют тщательной проверки. Учитывая тот факт, что очищенный фуллерен C 60 , производимый в России, стоит всего около 1800 рублей за грамм, повторить эти опыты, уточнить дозировки и продолжительность «лечения» не так уж и сложно. Сложнее другое. Будет ли эта «терапия старости» так же эффективна для человека? Ведь люди - не крысы, и есть десятки примеров того, что препарат, очень эффективно действующий в экспериментах на мышах, оказывался совершенно бесполезным (если не вредным!), когда испытания переходили в клинику. Что ж - время покажет. Интересно было бы также сопоставить активность фуллерена C 60 по продлению жизни с его многочисленными водорастворимыми аналогами, синтезированными в России в самое последнее время.

Написано по материалам оригинальной статьи .

Литература

1. Елецкий А.В. и Смирнов Б.М. (1993). Фуллерены. УФН . 163 , 33–60;
2. Tomohisa Mori, Hiroya Takada, Shinobu Ito, Kenji Matsubayashi, Nobuhiko Miwa, Toshiko Sawaguchi. (2006). Preclinical studies on safety of fullerene upon acute oral administration and evaluation for no mutagenesis . Toxicology . 225 , 48-54;
3. Szwarc H. and Moussa F. (2011). Toxicity of 60fullerene: confusion in the scientific literature . J. Nanosci. Lett. 1 , 61–62;
4. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био» ;
5. Riccardo Marega, Davide Giust, Adrian Kremer, Davide Bonifazi. (2012). Supramolecular Chemistry of Fullerenes and Carbon Nanotubes at Interfaces: Toward Applications . Supramolecular Chemistry of Fullerenes and Carbon Nanotubes . 301-347;
6. Пиотровский Л.Б. (2010). Наномедицина как часть нанотехнологий. «Вестник РАМН» . 3 , 41–46;
7. Corey A. Theriot, Rachael C. Casey, Valerie C. Moore, Linsey Mitchell, Julia O. Reynolds, et. al.. (2010). Dendrofullerene DF-1 provides radioprotection to radiosensitive mammalian cells . Radiat Environ Biophys . 49 , 437-445;
8. Andrievsky G.V., Bruskov V.I., Tykhomyrov A.A., Gudkov S.V. (2009). Peculiarities of the antioxidant and radioprotective effects of hydrated C60 fullerene nanostructuresin vitro and in vivo . Free Radic. Biol. Med. 47 , 786–793;
9. Tadahiko Mashino, Kumiko Shimotohno, Noriko Ikegami, Dai Nishikawa, Kensuke Okuda, et. al.. (2005). Human immunodeficiency virus-reverse transcriptase inhibition and hepatitis C virus RNA-dependent RNA polymerase inhibition activities of fullerene derivatives . Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters . 15 , 1107-1109;
10. Zongshun Lu, Tianhong Dai, Liyi Huang, Divya B Kurup, George P Tegos, et. al.. (2010). Photodynamic therapy with a cationic functionalized fullerene rescues mice from fatal wound infections . Nanomedicine . 5 , 1525-1533;
11. J. J. Ryan, H. R. Bateman, A. Stover, G. Gomez, S. K. Norton, et. al.. (2007). Fullerene Nanomaterials Inhibit the Allergic Response . The Journal of Immunology . 179 , 665-672;
12. Yingying Xu, Jiadan Zhu, Kun Xiang, Yuankai Li, Ronghua Sun, et. al.. (2011). Synthesis and immunomodulatory activity of fullerene–tuftsin conjugates . Biomaterials . 32 , 9940-9949;
13. Najla Gharbi, Monique Pressac, Michelle Hadchouel, Henri Szwarc, Stephen R. Wilson, Fathi Moussa. (2005). Fullerene is a Powerful Antioxidant in Vivo with No Acute or Subacute Toxicity . Nano Lett. . 5 , 2578-2585;
14. Zhiyun Chen, Lijing Ma, Ying Liu, Chunying Chen. (2012). Applications of Functionalized Fullerenes in Tumor Theranostics . Theranostics . 2 , 238-250;
15. Fang Jiao, Ying Liu, Ying Qu, Wei Li, Guoqiang Zhou, et. al.. (2010). Studies on anti-tumor and antimetastatic activities of fullerenol in a mouse breast cancer model . Carbon . 48 , 2231-2243;
16. Huan Meng, Gengmei Xing, Baoyun Sun, Feng Zhao, Hao Lei, et. al.. (2010). Potent Angiogenesis Inhibition by the Particulate Form of Fullerene Derivatives . ACS Nano . 4 , 2773-2783;
17. Artem A. Tykhomyrov, Victor S. Nedzvetsky, Vladimir K. Klochkov, Grigory V. Andrievsky. (2008). Nanostructures of hydrated C60 fullerene (C60HyFn) protect rat brain against alcohol impact and attenuate behavioral impairments of alcoholized animals . Toxicology . 246 , 158-165;
18. Григорьев В.В., Петрова Л.Н., Иванова Т.А., Бачурин С.О. и др. (2011). Исследование нейропротекторного действия гибридных структур на основе фуллерена С60. «Изв. РАН серия Биологическая» . 2 , 163–170;
19. Zhiguo Zhou, Robert Lenk, Anthony Dellinger, Darren MacFarland, Krishan Kumar, et. al.. (2009). Fullerene nanomaterials potentiate hair growth . Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine . 5 , 202-207;
20. A. G. Bobylev, A. B. Kornev, L. G. Bobyleva, M. D. Shpagina, I. S. Fadeeva, et. al.. (2011). Fullerenolates: metallated polyhydroxylated fullerenes with potent anti-amyloid activity . Org. Biomol. Chem. . 9 , 5714;
21. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц ;
22. Alejandro Montellano, Tatiana Da Ros, Alberto Bianco, Maurizio Prato. (2011). Fullerene C60 as a multifunctional system for drug and gene delivery . Nanoscale . 3 , 4035;
23. Кузнецова С.А. и Орецкая Т.С. (2010). Нанотранспортные системы адресной доставки нуклеиновых кислот в клетки . «Российские нанотехнологии» . 5 (9–10) , 40–52;
24. Tarek Baati, Fanchon Bourasset, Najla Gharbi, Leila Njim, Manef Abderrabba, et. al.. (2012). The prolongation of the lifespan of rats by repeated oral administration of fullerene . Biomaterials . 33 , 4936-4946;
25. Пиотровский Л.Б., Еропкин М.Ю., Еропкина Е.М., Думпис М.А., Киселев О.И. (2007). Механизмы биологического действия фуллеренов - зависимость от агрегатного состояния . «Психофармакология и биологическая наркология» . 7 (2) , 1548–1554;
26. Fathi Moussa, Ste´phane Roux, Monique Pressac, Eric Ge´nin, Michelle Hadchouel, et. al.. (1998). In vivo reaction between fullerene and vitamin A in mouse liver . New J. Chem. . 22 , 989-992;
27. Elwood Linney, Susan Donerly, Laura Mackey, Betsy Dobbs-McAuliffe. (2011). The negative side of retinoic acid receptors . Neurotoxicology and Teratology . 33 , 631-640;
28. Lorraine J. Gudas. (2012). Emerging roles for retinoids in regeneration and differentiation in normal and disease states . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids . 1821 , 213-221.

Самая старая крыса в группе, потреблявшей фуллерен С60, прожила 66 месяцев, что является абсолютным рекордом.

Фуллерен С60, широко известный под названием “бакибол “, является аллотропной формой углерода (см. рисунок), каждая молекула которого состоит из 60 атомов, связанных друг с другом таким образом, что образуют сферическую конструкцию. Этому замечательному соединению, открытому только в 1985 году, часто приписывают почти магические свойства.

Одно из таких биологических свойств – фуллерен С60 является очень мощным антиоксидантом, прерывающим окислительные процессы, из-за которых, собственно, и происходит старение организма, поэтому потребление крысами фуллерена С60 приводит к значительному замедлению старения.

Данное исследование было выполнено для того, чтобы доказать, во-первых, что C60 не токсичен и, во-вторых, что он всасывается в кровь. Было установлено, что молекулы С60 могут проходить через клеточные мембраны и, следовательно, могут вызывать внутриклеточные эффекты, имеющие решающее значение для замедления старения.

Эти замечательные и волнующие данные должны четко воспроизводиться – как у крыс, так и у других видов животных.

Об этих результатах Деннис (автор англоязычного оригинала настоящей статьи) уведомил доктора Синтию Кеньон, одного из ведущих в мире экспертов по продолжительности жизни, работающую с нематодами (круглые черви). “Очень интересно”, ответила она. Тогда Деннис предложил ей немедленно провести такой же эксперимент в своей лаборатории, давая С60 нематодам. “Это хорошая идея”, сказала она. Скорее всего, она пригласит Денниса принять участие в этой работе.

Деннису также удалось связаться с Фатхи Мусса, ведущим автором исследований по фуллерену С60. Выяснилось, что он планирует повторить исследование на больших группах животных.

Один из комментаторов выразил сомнение – не была ли случайно ограничена калорийность питания группы крыс, получавших фуллерен С60. “Нет, калорийность питания животных не ограничивалась”, ответил Мусса. “Их прирост существенно не отличался от прироста контрольных животных.”

В настоящее время фуллерен C60 продается по цене около 40 долларов США за один грамм и может быть приобретен для получения крема, назначение которого – профилактика старения кожи. Какой-нибудь смелый человек может даже начать принимать С60 в качестве пищевой добавки.

Так как Денниса заинтересовал этот вопрос, он спросил человека, знакомого с проблемой не понаслышке – доктора Мусса, не начал ли он принимать С60. “Нет”, сказал он. “В настоящее время я не принимаю С60”.

Утверждающей справедливость равенства | n | − | e | + | f | = 2 {\displaystyle |n|-|e|+|f|=2} (где | n | , | e | {\displaystyle |n|,|e|} и | f | {\displaystyle |f|} соответственно количество вершин, ребер и граней), необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 {\displaystyle n/2-10} шестиугольных граней. Если в состав молекулы фуллерена, помимо атомов углерода, входят атомы других химических элементов, то, если атомы других химических элементов расположены внутри углеродного каркаса, такие фуллерены называются эндоэдральными , если снаружи - экзоэдральными .

История открытия

Фуллерены в природе

После получения в лабораторных условиях фуллерены были найдены в некоторых образцах шунгитов Северной Карелии в фульгуритах США и Индии , метеоритах и донных отложениях , возраст которых достигает 65 миллионов лет .

Фуллерены в больших количествах были обнаружены и в космосе : в 2010 году в виде газа , в 2012 году - в твёрдом виде .

Структурные свойства

Молекулярное образование углерода в форме усечённый икосаэдр имеет массу 720 а. е. м. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов - фуллерен (C 60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр , состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (как идеальная форма, крайне редко встречающаяся в природе). Так как каждый атом углерода фуллерена С 60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С 60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13 С - он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1,39 , а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1,44 Å . Кроме того, связь первого типа двойная, а второго - одинарная, что существенно для химии фуллерена С 60 . В действительности изучение свойств фуллеренов полученных в больших количествах показывают распределение их объективных свойств (химическая и сорбционная активности) на 4 устойчивых изомера фуллерена , свободно определяемые по различному времени выхода из сорбционной колонки жидкостного хроматографа высокого разрешения. При этом атомная масса всех 4-х изомеров равнозначна - имеет массу 720 а. е. м.

Следующим по распространённости является фуллерен C 70 , отличающийся от фуллерена C 60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C 60 , в результате чего молекула 34 является вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби .

Так называемые высшие фуллерены , содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C n , n =74, 76, 78, 80, 82 и 84.

Синтез

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита , получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях . В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Сажу растворяют в бензоле или толуоле и из полученного раствора выделяют в чистом виде граммовые количества молекул С 60 и С 70 в соотношении 3:1 и примерно 2 % более тяжёлых фуллеренов . Впоследствии удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени , химический синтез и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час) . Впоследствии фирме Mitsubishi удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород , и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С 2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13 С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12 С. После экстракции фуллеренов было показано методом ЯМР , что атомы 12 С и 13 С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С 60 за последние 17 лет - с 10 тыс. до 10-15 долл. за грамм , что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана - Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Из-за относительно высокой стоимости начального продукта - графита, этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси , которой удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5 долл./грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге , а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок - смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С 60 и С 70 и кристаллы С 60 /С 70 , являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0,01 %). Наконец, последний этап - удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150-250 °C в условиях динамического вакуума (около 0,1 торр).

Физические свойства и прикладное значение

Фуллериты

Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами . Наиболее изученная система такого рода - кристалл С 60 , менее - система кристаллического С 70 . Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.

Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π-связями , в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса , определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C 60 .

При комнатных температурах кристалл С 60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1,415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Т кр ≈260 ) и кристалл С 60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1,411 нм) . При температуре Т > Т кр молекулы С 60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С 70 при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе . Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

Нелинейные оптические свойства

Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С 60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С 60 способны генерировать и третью гармонику .

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С 60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм . Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

Квантовая механика и фуллерен

Гидратированный фуллерен (HyFn);(С 60 (H 2 O)n)

Гидратированный фуллерен С 60 - C 60 HyFn - это прочный, гидрофильный супрамолекулярный комплекс, состоящий из молекулы фуллерена С 60 , заключенной в первую гидратную оболочку, которая содержит 24 молекулы воды: C 60 (H 2 O) 24 . Гидратная оболочка образуется вследствие донорно-акцепторного взаимодействия неподеленных пар электронов кислорода молекул воды с электрон-акцепторными центрами на поверхности фуллерена. При этом молекулы воды, ориентированные вблизи поверхности фуллерена, связаны между собой объёмной сеткой водородных связей. Размер C 60 HyFn соответствует 1,6-1,8 нм. В настоящее время, максимальная концентрация С 60 , в виде C 60 HyFn, которую удалось создать в воде, эквивалентна 4 мг/мл. [уточните ссылку ] Фотография водного раствора С 60 HyFn с концентрацией С 60 0,22 мг/мл справа.

Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента .

Фуллерен как фоторезист

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями . В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении кремния электронным пучком с использованием маски из полимеризованной плёнки С 60 .

Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С 2 , которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0,6 мкм/ч, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы - использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения .

Сверхпроводящие соединения с С 60

Молекулярные кристаллы фуллеренов - полупроводники , однако в начале 1991 года было установлено, что легирование твёрдого С 60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник . Легирование С 60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X 3 С 60 (Х - атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий . Переход соединения К 3 С 60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников . Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х 3 С 60 , либо XY 2 С 60 (X,Y - атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs 2 С 60 - его Т кр =33 К .

Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ

Следует отметить, что присутствие фуллерена С 60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимерной плёнки толщиной 100 нм. Образованная плёнка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500 °C и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

Другие области применения

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды , содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления . При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %.

Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций.

Также фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Химические свойства

Фуллерены, несмотря на отсутствие атомов водорода, которые могут быть замещены как в случае обычных ароматических соединений , всё же могут быть функционализированы различными химическими методами. Например, успешно были применены такие реакции для функционализации фуллеренов, как реакция Дильса - Альдера , реакция Прато , реакция Бингеля. Фуллерены также могут быть прогидрированы с образованием продуктов от С 60 Н 2 до С 60 Н 50 .

Медицинское значение

Антиоксиданты

Фуллерены являются мощнейшими антиоксидантами , известными на сегодняшний день. В среднем они превосходят действие всех известных до них антиоксидантов в 100-1000 раз. Предполагается, что именно благодаря этому они способны значительно продлевать среднюю продолжительность жизни крыс и круглых червей . В природном виде содержатся в шунгите и морском воздухе. Предполагается, что фуллерен С 60 , растворённый в оливковом масле, может встраиваться в двухслойные липидные мембраны клеток и митохондрий и действовать как многоразовый антиоксидант .

Создание новых лекарств

Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. Так, в 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки противоаллергических средств .

Борьба с ВИЧ

Различные производные фуллеренов показали себя эффективными средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки - ВИЧ-1-протеаза, - имеет сферическую полость диаметром 10 Ǻ, форма которой остается постоянной при всех мутациях. Такой размер почти совпадает с диаметром молекулы фуллерена. Синтезировано производное фуллерена, которое растворимо в воде. Оно блокирует активный центр ВИЧ-протеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы .

Примечания

1. Сидоров Л. Н., Иоффе И. Н. Эндоэдральные фуллерены // Соросовский образовательный журнал , 2001, № 8, с.31
2. Kroto H. W., Heath J. R., O’Brien S. C., et. al. C 60: Buckminsterfullerene // Nature 318, 162 (1985) DOI :10.1038/318162a0
3. Osawa E. Kagaku (Kyoto), V.25, P.854 (1971); Chem. Abstr. V.74 (1971)
4. Бочвар Д. А., Гальперн Е. Г. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдране и карбо-s-икосаэдре // Доклады АН СССР . - 1973. - Т. 209 , № 3 . - С. 610 .
5. Нобелевская премия по химии за 1996 год
6. Buseck P.R, Tsipursky S.J, Hettich R. Fullerenes from the Geological Environment (англ.) // Science . (1992) 257(5067): 215-217 DOI: 10.1126/science.257.5067.215
7. Юшкин Н. П. . Глобулярная надмолекулярная структура шунгита: данные растровой туннельной микроскопии. // ДАН . (1994) 337(6): 800-803.
8. В. А. Резников. Ю. С. Полеховский . Аморфный шунгитовый углерод - естественная среда образования фуллеренов. // Письма в ЖЭТФ . (2000) 26(15): 94-102.

Молекулярная форма углерода или аллотропная его модификация, фуллерен, - это длинный ряд атомных кластеров C n (n > 20), которые представляют собой выпуклые замкнутые многогранники, построенные из атомов углерода и имеющие пятиугольные или шестиугольные грани (здесь есть очень редкие исключения). Атомам углерода в незамещённых фуллеренах свойственно находиться в sp 2 -гибридном состоянии с координационным числом 3. Таким образом формируется сферическая сопряжённая ненасыщенная система согласно теории валентных связей.

Общее описание

Самая термодинамически устойчивая при нормальных условиях форма углерода - графит, который выглядит как стопка едва связанных друг с другом графеновых листов: плоские решётки, состоящие из шестиугольных ячеек, где на вершинах - атомы углерода. Каждый из них связан с тремя соседними атомами, а четвёртый валентный электрон образует пи-систему. Значит, фуллерен - это именно такая молекулярная форма, то есть картина sp 2 -гибридного состояния очевидна. Если ввести в графеновый лист геометрические дефекты, неизбежно образуется замкнутая структура. Например, такими дефектами служат пятичленные циклы (пятиугольные грани), точно так же распространённые наряду с шестиугольными в химии углерода.

Природа и технологии

Получение фуллеренов в чистом виде возможно путём искусственного синтеза. Эти соединения продолжают интенсивно изучать в разных странах, устанавливая условия, при которых происходит их образование, а также рассматривается структура фуллеренов и их свойства. Всё более ширится сфера их применения. Оказалось, что значительное количество фуллеренов содержится в саже, которая образуется на графитовых электродах в дуговом разряде. Ранее этого факта просто никто не видел.

Когда фуллерены были получены в условиях лаборатории, молекулы углерода начали обнаруживаться и в природе. В Карелии нашли их в образцах шунгитов, в Индии и США - в фурульгитах. Также много и часто встречаются молекулы углерода в метеоритах и отложениях на дне, которым не менее шестидесяти пяти миллионов лет. На Земле чистые фуллерены могут образовываться при разряде молнии и при сгорании природного газа. взятые над Средиземным морем, были изучены в 2011 году, и оказалось, что во всех взятых образцах - от Стамбула до Барселоны - присутствует фуллерен. Физические свойства этого вещества обуславливают самопроизвольное образование. Также огромные его количества обнаружены в космосе - и в газообразном состоянии, и в твёрдом виде.

Синтез

Первые опыты выделения фуллеренов происходили через конденсированные пары графита, которые получали при лазерном воздействии облучением твердых графитовых образцов. Удавалось получить только следы фуллеренов. Лишь в 1990 году химиками Хаффманом, Лэмбом и Кретчмером был разработан новый метод добычи фуллеренов в граммовых количествах. Он заключался в сжигании графитовых электродов электрической дугой в атмосфере гелия и при низком давлении. Происходила эрозия анода, и на стенках камеры появлялась сажа, содержащая фуллерены.

Далее сажу растворяли в толуоле или бензоле, а в полученном растворе выделялись граммы в чистом виде молекул С 70 и С 60 . Соотношение - 1:3. Кроме того, раствор содержал и два процента тяжёлых фуллеренов высшего порядка. Теперь дело было за малым: подбирать оптимальные параметры для испарения - состав атмосферы, давление, диаметр электродов, ток и так далее, чтобы достигнуть наибольшего выхода фуллеренов. Они составляли примерно до двенадцати процентов собственно материала анода. Именно поэтому и столь дорого фуллерены стоят.

Производство

Все попытки учёных экспериментаторов на первых порах были тщетными: производительные и дешёвые способы получения фуллеренов не находились. Ни сжигание в пламени углеводородов, ни химический синтез к успеху не привели. Метод электрической дуги оставался самым продуктивным, позволявшим получать около одного грамма фуллеренов в час. Фирма Mitsubishi наладила промышленное производство методом сжигания углеводородов, но их фуллерены не чисты - они содержат молекулы кислорода. И до сих пор остаётся неясным сам механизм образования данного вещества, потому что процессы горения дуги крайне неустойчивы с термодинамической точки зрения, и это очень сильно тормозит рассмотрение теории. Неопровержимы только факты о том, что фуллерен собирает отдельные атомы углерода, то есть фрагменты С 2 . Однако наглядная картина образования этого вещества так и не сформировалась.

Высокая стоимость фуллеренов определяется не только низким выходом при сжигании. Выделение, очистка, разделение фуллеренов разной массы из сажи - все эти процессы достаточно сложны. Особенно это касается разделения смеси на отдельные молекулярные фракции, которые проводятся посредством жидкостной хроматографии на колонках и с высоким давлением. На последнем этапе удаляются остатки растворителя из уже твёрдого фуллерена. Для этого образец выдерживается в условиях динамического вакуума при температуре до двухсот пятидесяти градусов. Но плюс в том, что во времена разработки фуллерена С 60 и получения его в уже макроколичествах органическая химия приросла самостоятельной ветвью - химией фуллеренов, которая стала невероятно популярной.

Польза

Производные фуллеренов применяются в различных областях техники. Плёнки и кристаллы фуллерена - полупроводники, обладающие при оптическом облучении фотопроводимостью. Кристаллы С 60 , если их легировать атомами щёлочных металлов, переходят в состояние сверхпроводимости. Растворы фуллерена имеют нелинейные оптические свойства, потому могут использоваться как основа оптических затворов, которые необходимы для защиты от интенсивного излучения. Также фуллерен используют в качестве катализатора для синтеза алмазов. Широко применяются фуллерены в биологии и медицине. Здесь работает три свойства данных молекул: определяющая мембранотропность липофильность, электронодефицит, дающий способность взаимодействия со свободными радикалами, а также способность передавать молекуле обычного кислорода их собственное возбуждённое состояние и превращать этот кислород в синглетный.

Подобные активные формы вещества атакуют биомолекулы: нуклеиновые кислоты, белки, липиды. Активные формы кислорода используют в фотодинамической терапии для лечения рака. В кровь пациента вводят фотосенсибилизаторы, генерирующие активные формы кислорода - собственно фуллерены или их производные. Кровоток в опухоли слабее, чем в здоровых тканях, а потому фотосенсибилизаторы накапливаются в ней, и после направленного облучения молекулы возбуждаются, генерируя активные формы кислорода. раковые клетки испытывают апоптоз, и опухоль разрушается. Плюс к этому - фуллерены имеют антиоксидантные свойства и улавливают активные формы кислорода.

Фуллерен понижает активность ВИЧ-интегразы, белка, который отвечает за встраивание вируса в ДНК, взаимодействуя с ним, изменяя конформацию и лишая его основной вредительской функции. Некоторые из производных фуллерена взаимодействуют непосредственно с ДНК и препятствуют действию рестиктаз.

Ещё о медицине

В 2007 году начали использоваться водорастворимые фуллерены для употребления их в качестве противоаллергических средств. Исследования проводились на человеческих клетках и крови, которые подвергались воздействию производных фуллерена - С60(NEt)x и С60(ОН)x. В экспериментах на живых организмах - мышах - результаты были положительными.

Уже сейчас это вещество используется как вектор доставки лекарства, поскольку вода с фуллеренами (вспомним гидрофобность С 60) проникает в мембрану клетки очень легко. Например, эритропоэтин - введённый непосредственно в кровь, в значительном количестве деградируется, а если использовать его вместе с фуллеренами, то концентрация возрастает более чем вдвое, и потому он попадает внутрь клетки.

Человек должен защищать свой дом от дождя и холода; свой сад от вредителей; воздух от выхлопных газов; воду от примесей, попадающих от вредных производств, то есть, человек, живя в окружающей его среде, должен защищать среду его обитания от творения рук своих, от «себя самого».

Кто же спасёт человека? Красота?

По мнению ученых, есть некий её вид, который может облегчить наше существование.

Это красота многоатомных молекул углерода , получивших название «фуллерены».

Фуллерены – это необычные молекулы, напоминающие по форме футбольный мяч . Как и мяч, они полые внутри и их даже хотели назвать «футболены», но поиграть в футбол фуллереном невозможно, так как его размер – 1 нанометр, то есть одна миллиардная часть метра.

Фуллерены – четвёртая, ранее неизвестная, модификация углерода (первые три – это графит, алмаз, карбон). Она была открыта в 1985 году, причем совершенно случайно. Английский химик и астрофизик Харолд Крото, изучая межзвёздную пыль, заинтересовался имевшимися там углеродными частицами. Испытывая трудности в их анализе, он обратился за помощью к американским коллегам Роберту Керлу и Ричарду Смолли, которые занимались испарением веществ с помощью лазера. Все трое с энтузиазмом взялись за дело. Испаряя графит для получения искомых частиц, они с удивлением обнаружили в остатках неизвестные молекулы углерода, похожие на футбольный мяч. Харолду Крото, инициатору свей этой истории, оболочка новой молекулы напомнила знаменитое произведение американского архитектора Р.Б.Фуллера – геодезический купол американского павильона на всемирной выставке ЭКСПО-67. Крото и предложил назвать новые частицы в честь Фуллера. Так появилось слово «фуллерены».

Исследователи сразу же послали сообщение о своём открытии в журнал «Nature».

Открытие новых молекул вызвало невероятный интерес к их дальнейшим исследованиям. Разразился «фуллереновый бум», который привёл к созданию нанотехнологий, а с их помощью – к разработке невиданных ранее материалов и соединений, предназначенных для разных областей науки, техники, медицины и фармакологии.

В 1996 году Р.Керл, Х.Крото, Р.Смолли за открытие фуллеренов получили Нобелевскую премию в области химии. Фуллерены произвели настоящую революцию! И, хотя пока её результаты заметны только в науке и технике, не за горами переворот и в медицине.

Революция заключается в качественном скачке от микро…, миллионной части метра, к нано…, его миллиардной части. Перед нами открываются перспективы получения новых веществ с помощью нанотехнологий и, конечно же, появление наномедицины («нано» в переводе означает «карлик»). Возможно, слово «наномедицина» ещё не встретишь в словарях, но эта отрасль уже заявила право на существование.

Маленькое, но точное:

Рассмотрим свойства фуллеренов с точки зрения применения в медицине.

Одно из самых замечательных свойств этих веществ – то, что они способны создавать водные растворы. Встроив самый устойчивый из фуллеренов (он называется С60) в молекулу воды, учёным удалось создать водную среду, очень похожую на среду в здоровых клетках организма. Вода со встроенным фуллереном нейтрализует свободные радикалы, то есть является антиоксидантом. Свободные радикалы – причина возникновения множества болезней. Эти молекулы, образующиеся в нашем организме, повреждают хромосомы и приводят к старению клеток, раковым заболеваниям, снижению иммунитета. Им противостоят антиоксиданты – полезные вещества, которые соединяются со свободными радикалами и предотвращают их разрушительное действие.

Обычные антиоксиданты – вещества штучные, одноразового действия. Скажем, молекула витамина, соединяясь со свободным радикалом, образует безвредное соединение и выбывает из игры. На один радикал одна молекула? Не густо! А фуллереновый мячик – долгоиграющий: он остаётся в игре всё время, обладая магическим свойством притягивать к себе свободные радикалы. Кроме этого, такие «прилипшие» радикалы соединяются между собой и образуют безвредные вещества. Благодаря присутствию фуллерена этот процесс невероятно ускоряется, и тогда злосчастные радикалы массами выбывают из игры. Фуллереновые растворы во много раз эффективнее обычных антиоксидантов. Между тем исследователи говорят, что фуллерен – не лекарство в обычном смысле слова, так как лекарство способствует лечению определённой болезни, а растворы фуллерена действуют гораздо шире, в объёме всего организма.

Медицина с приставкой «нано»

Возможности этих наношариков поистине неисчерпаемы и не ограничиваются борьбой только со свободными радикалами. Фуллерены способны создавать целые комплекты биоактивных соединений. Заполнив полость фуллерена целительным веществом, можно этот шарик, как в лузу, загнать в необходимую точку. Такие фуллерены, шутливо названные фаршированными, могут быть использованы для доставки антибиотиков, витаминов и гормонов к больным клеткам. Особенно упорно ведутся работы по созданию фуллереновых препаратов для лечения болезней мозга. Впервые в мире фуллереновый антиоксидант для лечения повреждённых мозговых клеток синтезировали в Тель-Авивском университете. Его применение дало положительные результаты в экспериментах пока с животными. Предполагаются дальнейшие разработки этой методики для лечения рассеянного склероза и болезни Альцгеймера. Проводятся эксперименты с фуллеренами для доставки лекарств через кожу без применения уколов. Разрабатываются методы разрушения всемогущими фуллеренами геномов вирусов, проникающих в живую клетку. Перспективны работы по применению фуллеренов в качестве противоядия. Продолжать можно долго… Во всём мире ведутся исследования фуллереновых препаратов против раковых заболеваний и результаты вселяют надежду!

Жаль, что до окончательного триумфа живительных наношариков, не дожил один из их первооткрывателей – Ричард Смолли. Он скончался в 2005 году.

Исследования целительных углеродных образований продолжаются, хотя пока не вышли за пределы лабораторий.

Аспидный камень и фуллерены:

Выдающиеся открытия поначалу часто обрастают легендами, и кажется, будто они могут творить чудеса.

В России «фуллереновая лихорадка» началась в конце 90-х годов прошлого века. Она была связана с углеродистой сланцевой породой - шунгитом, залежи которого обнаружены в Карелии.

По одной из версий, советский геолог С.Ципурский, узнав об открытии фуллеренов, передал шунгит, который привёз из Карелии, для исследования в лабораторию Аризонского университета в Америке. О результатах этого исследования, проведённого с участием самого Ципурского, была опубликована статья в научном журнале в 1992 году. В ней говорилось, что в шунгите действительно обнаружено незначительное содержание фуллеренов. Это стало сенсацией, вызвавшей дальнейшее исследование шунгита в лечебных целях.

Впрочем, о целебных свойствах шунгита издавна ходили легенды. Этот сланец зловещего чёрного цвета в старину звался аспидным камнем. Потом он получил название «шунгит» - от карельской деревни Шуньга, где через залежи этой породы пробивался ключ с целебной водой. Местные старики говорили, шунгит от ста болячек исцелит. По преданию, здесь излечилась от многочисленных хворей боярыня Ксения Романова, сосланная в эти края Борисом Годуновым. Это была мать первого русского царя Михаила Фёдоровича. В память о ней чудодейственный источник был назван «Царевич ключ». Однако, после освобождения Ксении о нём забыли. Ксения Романова была прабабкой Петра первого и, вероятно, до него дошли семейные предания о целебных свойствах аспидного камня. Возможно, камень обладал к тому же и антисептическими свойствами. Так или иначе, но есть сведения, что Пётр повелел держать в солдатских ранцах аспидный камень и опускать его в котелки с водой, «дабы сохранить крепость живота своего». «Крепость живота» явно не смогли сохранить солдаты шведской армии, потерпевшие поражения в Полтавской битве: жарким летом 1709 года их изрядно потрепала разразившаяся тогда эпидемия дизентерии.

Шунгитовые породы применяются в строительстве и металлургии, а в последнее время шунгит с успехом используется в фильтрах для очистки воды.

В 2003 году, то есть через десять лет после первой сенсационной публикации, в журнале Американского геологического общества вышла статья, которая сообщала, что тщательные проверки не подтвердили наличия фуллеренов в шунгите. Кроме того, даже если бы они там были, целительный эффект создавал бы не сам камень, а его водный раствор.

Органическая электроника:

Учёные Технологического Института Джорджии (Georgia Institute of Technology) в результате проведённых исследований, создали матрицу быстродействующих полевых транзисторов на основе фуллеренов С60.

Профессор Bernard Kippelen отметил, что органические полупроводники – абсолютно новый, современный и очень перспективный материал в наноэлектронике.

Область применения органической наноэлектроники огромна: от дисплеев и активных электронных бигбордов, до RFID-меток и гибких компьютеров.

Нанокосметика: клетки красоты:

Нанотехнологии ещё только изучаются, но уже появилась целая линия косметических товаров , использующих замечательные свойства фуллеренов. На упаковках таких средств обычно пишут: «содержит фуллерены» или «содержит С60» (это самая устойчивая молекула из этой группы). Производители утверждают, что кремы с фуллеренами ощутимо улучшают состояние зрелой кожи, замедляют процесс старения, поддерживают упругость и свежесть лица.

В заключении:

Наномедицина совершенно новое направление в борьбе с болезнями. И, несмотря на то, что её идеи и проекты находятся ещё на стадии лабораторных исследований, нет сомнений, что наномедицине принадлежит будущее.