Fullerene adalah senyawa molekuler yang termasuk dalam kelas modifikasi alotropik karbon, memiliki struktur rangka tertutup yang terdiri dari tiga atom karbon terkoordinasi dan memiliki 12 wajah pentagonal dan (n/2 - 10) heksagonal (n≥20). Keunikannya adalah bahwa setiap segi lima hanya berdekatan dengan segi enam.

Bentuk paling stabil adalah C 60 (buckminsterfullerene), yang struktur berongga bolanya terdiri dari 20 segi enam dan 12 segi lima.

Gambar 1. Struktur C 60

Molekul C 60 adalah atom karbon yang terikat satu sama lain oleh ikatan kovalen. Hubungan ini disebabkan adanya sosialisasi elektron valensi atom. Panjang ikatan C-C dalam segi lima adalah 1,43 , demikian pula panjang sisi segi enam yang menghubungkan kedua gambar tersebut, namun, sisi yang menghubungkan segi enam kira-kira 1,39 .

Dalam kondisi tertentu, molekul C 60 cenderung terurut dalam ruang, mereka terletak di simpul kisi kristal, dengan kata lain, fullerene membentuk kristal yang disebut fullerite. Agar molekul C 60 ditempatkan secara sistematis di ruang angkasa, seperti atomnya, mereka harus terhubung satu sama lain. Ikatan antar molekul dalam kristal ini disebabkan oleh adanya gaya van der Waals yang lemah. Fenomena ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam molekul yang netral secara elektrik, muatan negatif elektron dan muatan positif nukleus tersebar di ruang angkasa, sebagai akibatnya molekul dapat saling mempolarisasi, dengan kata lain, mereka menyebabkan perpindahan di ruang pusat muatan positif dan negatif, yang menyebabkan interaksi mereka.

Padatan C 60 pada suhu kamar memiliki kisi kubik berpusat pada muka, yang densitasnya adalah 1,68 g/cm 3 . Pada suhu di bawah 0 ° C, transformasi menjadi kisi kubik terjadi.

Entalpi pembentukan fullerene-60 adalah sekitar 42,5 kJ/mol. Indikator ini mencerminkan stabilitasnya yang rendah dibandingkan dengan grafit (0 kJ/mol) dan intan (1,67 kJ/mol). Perlu dicatat bahwa dengan peningkatan ukuran bola (dengan meningkatnya jumlah atom karbon), entalpi pembentukan asimtotik cenderung ke entalpi grafit, ini disebabkan oleh fakta bahwa bola semakin menyerupai pesawat terbang.

Secara eksternal, fullerene adalah bubuk kristal halus berwarna hitam, tidak berbau. Mereka praktis tidak larut dalam air (H 2 O), etanol (C 2 H 5 OH), aseton (C 3 H 6 O) dan pelarut polar lainnya, tetapi dalam benzena (C 6 H 6), toluena (C 6 H 5 - CH 3), fenil klorida (C 6 H 5 Cl) larut membentuk larutan berwarna merah-ungu. Perlu dicatat bahwa ketika setetes stirena (C 8 H 8) ditambahkan ke larutan jenuh C 60 dalam dioksan (C 4 H 8 O 2), warna larutan berubah seketika dari kuning-coklat menjadi merah- ungu, karena pembentukan kompleks (larutan).

Dalam larutan jenuh pelarut aromatik, fullerene pada suhu rendah membentuk endapan - kristal solvat dalam bentuk C 60 Xn, di mana X adalah benzena (C 6 H 6), toluena (C 6 H 5 -CH 3), stirena (C 8 H 8 ), ferrosen (Fe(C 5 H 5) 2) dan molekul lainnya.

Entalpi pembubaran fullerene di sebagian besar pelarut adalah positif; dengan meningkatnya suhu, kelarutan, sebagai suatu peraturan, memburuk.

Studi tentang sifat fisik dan kimia fullerene adalah fenomena topikal, karena senyawa ini menjadi bagian integral dari kehidupan kita. Saat ini, gagasan menggunakan fullerene dalam pembuatan fotodetektor dan perangkat optoelektronik, katalis pertumbuhan, film seperti berlian dan berlian, bahan superkonduktor, dan juga sebagai pewarna untuk mesin fotokopi sedang dibahas. Fullerene digunakan dalam sintesis logam dan paduan dengan sifat yang ditingkatkan.

Fullerene direncanakan akan digunakan sebagai dasar produksi baterai penyimpanan. Prinsip pengoperasian baterai ini didasarkan pada reaksi hidrogenasi, mereka dalam banyak hal mirip dengan baterai berbasis nikel yang tersebar luas, namun, tidak seperti yang terakhir, mereka memiliki kemampuan untuk menyimpan beberapa kali jumlah hidrogen yang lebih spesifik. Selain itu, baterai ini memiliki efisiensi, bobot yang ringan, dan keamanan lingkungan dan kesehatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan baterai lithium paling canggih dalam hal kualitas ini. Baterai fullerene dapat digunakan secara luas untuk menyalakan komputer pribadi dan alat bantu dengar.

Perhatian yang cukup besar diberikan pada masalah penggunaan fullerene dalam kedokteran dan farmakologi. Gagasan untuk membuat obat anti-kanker berdasarkan senyawa endohedral yang larut dalam air dari fullerene dengan isotop radioaktif sedang dipertimbangkan.

Namun, penggunaan fullerene dibatasi oleh biayanya yang tinggi, yang disebabkan oleh kerumitan sintesis campuran fullerene, serta pemisahan multi-tahap dari masing-masing komponen darinya.

FULLERENES - BENTUK ALOTROPIC BARU KARBON

1. BAGIAN TEORITIS

1.1. Bentuk alotropik karbon yang diketahui

Sampai saat ini, diketahui bahwa karbon membentuk tiga bentuk alotropik: intan, grafit, dan karabin. Alotropi, dari bahasa Yunani. Allos - berbeda, tropos - giliran, properti, keberadaan elemen yang sama dalam bentuk struktur yang berbeda dalam sifat dan struktur.Saat ini, bentuk karbon alotropik keempat, yang disebut fullerene (molekul karbon poliatomik C n), diketahui .

Asal usul istilah "fullerene" dikaitkan dengan nama arsitek Amerika Richard Buckminster Fuller, yang merancang struktur arsitektur hemispherical yang terdiri dari segi enam dan segi lima.

Pada pertengahan 1960-an, David Jones membangun sangkar bulat tertutup dari lapisan grafit yang dilipat dengan cara yang aneh. Ditunjukkan bahwa pentagon dapat menjadi cacat yang tertanam dalam kisi heksagonal grafit biasa dan mengarah pada pembentukan permukaan melengkung yang kompleks.

Pada awal 1970-an, fisikawan organik E. Osawa menyarankan keberadaan molekul C 60 berongga yang sangat simetris dengan struktur dalam bentuk ikosahedron terpotong, mirip dengan bola sepak. Beberapa saat kemudian (1973), ilmuwan Rusia D.A. Bochvar dan E.G. Galperin membuat perhitungan kimia-kuantum teoretis pertama dari molekul semacam itu dan membuktikan stabilitasnya.

Pada tahun 1985, tim ilmuwan: G. Kroto (Inggris, University of Sussex), Heath, 0"Brien, R.F. Curl dan R. Smalley (AS, Rice University) berhasil mendeteksi molekul fullerene dalam studi spektrum massa uap grafit setelah iradiasi laser sampel padat.

Metode pertama untuk memperoleh dan mengisolasi fullerene kristal padat diusulkan pada tahun 1990 oleh W. Kretschmer dan D. Huffmann dan rekan-rekannya di Institut Fisika Nuklir di Heidelberg (Jerman).

Pada tahun 1991, ilmuwan Jepang Ijima untuk pertama kalinya mengamati berbagai struktur menggunakan mikroskop ion polar, yang tersusun, seperti dalam kasus grafit, dari cincin karbon beranggota enam: tabung nano, kerucut, partikel nano.

Pada tahun 1992, fullerene alami ditemukan dalam mineral karbon alami - shungite (mineral ini mendapatkan namanya dari nama desa Shunga di Karelia).

Pada tahun 1997, R.E.

Mari kita perhatikan struktur bentuk alotropik karbon: intan, grafit, dan karabin.

Berlian - Setiap atom karbon dalam struktur berlian terletak di tengah tetrahedron, yang simpulnya adalah empat atom terdekat. Atom-atom tetangga saling berhubungan melalui ikatan kovalen (hibridisasi sp3). Struktur ini menentukan sifat berlian sebagai zat terkeras yang dikenal di Bumi.

Grafit menemukan aplikasi luas di berbagai bidang aktivitas manusia, mulai dari pembuatan timah pensil hingga unit moderasi neutron dalam reaktor nuklir. Atom karbon dalam struktur kristal grafit saling berhubungan oleh ikatan kovalen yang kuat (sp 2 - hibridisasi) dan membentuk cincin heksagonal, yang, pada gilirannya, membentuk jaring yang kuat dan stabil mirip dengan sarang lebah. Kisi-kisi disusun satu di atas yang lain berlapis-lapis. Jarak antara atom yang terletak di simpul segi enam beraturan adalah 0,142 nm., antara lapisan – 0,335nm. Lapisan terhubung secara longgar satu sama lain. Struktur seperti itu - lapisan karbon yang kuat, saling berhubungan dengan lemah, menentukan sifat spesifik grafit: kekerasan rendah dan kemampuan untuk dengan mudah terdelaminasi menjadi serpihan kecil.

Karabin mengembun dalam bentuk deposit karbon putih di permukaan ketika pyrographite disinari dengan sinar laser. Bentuk kristal karabin terdiri dari rantai atom karbon berorientasi paralel dengan hibridisasi sp elektron valensi dalam bentuk makromolekul lurus poliena (-С= -С= -...) atau kumulen (=С=С= =...) jenis .

Bentuk lain dari karbon juga dikenal, seperti karbon amorf, karbon putih (chaoite), dll. Tetapi semua bentuk ini adalah komposit, yaitu campuran fragmen kecil grafit dan berlian.

1.2.Geometri molekul fullerene dan kisi kristal fullerite

Gbr.3 Molekul Fullerene C6 0

Berbeda dengan berlian, grafit dan karabin, fullerene pada dasarnya adalah bentuk baru dari karbon. Molekul C 60 mengandung fragmen dengan simetri lima kali lipat (pentagon), yang dilarang oleh alam untuk senyawa anorganik. Oleh karena itu, harus diakui bahwa molekul fullerene adalah molekul organik, dan kristal yang dibentuk oleh molekul tersebut ( fullerite) – itu adalah kristal molekul yang merupakan penghubung antara bahan organik dan anorganik.

Permukaan datar mudah ditata dari segi enam biasa, tetapi permukaan tertutup tidak dapat dibentuk olehnya. Untuk melakukan ini, perlu untuk memotong bagian dari cincin heksagonal dan membentuk segi lima dari bagian yang dipotong. Dalam fullerene, grid datar segi enam (grid grafit) dilipat dan dijahit menjadi bola tertutup. Dalam hal ini, beberapa segi enam diubah menjadi segi lima. Sebuah struktur terbentuk - icosahedron terpotong, yang memiliki 10 sumbu simetri orde ketiga, enam sumbu simetri orde kelima. Setiap simpul dari gambar ini memiliki tiga tetangga terdekat. Setiap segi enam berbatasan dengan tiga segi enam dan tiga segi lima, dan setiap segi lima hanya berbatasan dengan segi enam. Setiap atom karbon dalam molekul C 60 terletak di simpul dua segi enam dan satu segi lima dan pada dasarnya tidak dapat dibedakan dari atom karbon lainnya. Atom karbon yang membentuk bola terikat bersama oleh ikatan kovalen yang kuat. Ketebalan cangkang bola adalah 0,1 nm, jari-jari molekul C 60 adalah 0,357 nm. Panjang ikatan C-C di segi lima adalah 0,143 nm, di segi enam - 0,139 nm.

Molekul fullerene yang lebih tinggi C 70 C 74 , C 76 , C 84 , C 164 , C 192 , C 216 juga memiliki bentuk permukaan tertutup.

Fullerene dengan n< 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С 20 .

Fullerene kristal, yang disebut fullerite, memiliki kisi kubik berpusat muka (fcc), grup ruang (Fm3m).Parameter kisi kubik a 0 = 1,42 nm, jarak antara tetangga terdekat adalah 1 nm. Banyaknya tetangga terdekat dalam kisi fcc fullerite adalah -12.

Ada ikatan van der Waals yang lemah antara molekul C 60 dalam kristal fullerite. Dengan menggunakan metode resonansi magnetik nuklir, terbukti bahwa pada suhu kamar molekul C 60 berputar di sekitar posisi kesetimbangan dengan frekuensi 10 12 1/s. Ketika suhu turun, rotasi melambat. Pada 249K, transisi fase orde pertama diamati pada fullerite, di mana kisi fcc (sp. gr. Fm3m) berubah menjadi kubus sederhana (sp. gr. Pa3). Dalam hal ini, volume fulderit meningkat sebesar 1%. Sebuah kristal fullerite memiliki kerapatan 1,7 g/cm 3 , yang jauh lebih kecil daripada kerapatan grafit (2,3 g/cm 3 ) dan berlian (3,5 g/cm 3 ).

Molekul C 60 tetap stabil dalam atmosfir argon inert sampai suhu pada orde 1700 K. Oksidasi signifikan diamati pada 500 K dengan adanya oksigen untuk membentuk CO dan CO 2 . Pada suhu kamar, oksidasi terjadi ketika disinari dengan foton dengan energi 0,55 eV. yang jauh lebih rendah daripada energi foton cahaya tampak (1,54 eV). Oleh karena itu, fullerite murni harus disimpan di tempat gelap. Proses, yang berlangsung selama beberapa jam, mengarah pada penghancuran kisi fcc dari fullerite dan pembentukan struktur yang tidak teratur di mana ada 12 atom oksigen per molekul C6 awal. Dalam hal ini, fullerene benar-benar kehilangan bentuknya.

1.3. Mendapatkan fullerene

Cara paling efisien untuk mendapatkan fullerene didasarkan pada dekomposisi termal grafit. Baik pemanasan elektrolitik dari elektroda grafit dan iradiasi laser dari permukaan grafit digunakan. 4 menunjukkan diagram pabrik untuk produksi fullerene, yang digunakan oleh W. Kretchmer. Sputtering grafit dilakukan dengan melewatkan arus dengan frekuensi 60 Hz melalui elektroda, nilai arus dari 100 hingga 200 A, tegangan 10-20 V. Dengan menyesuaikan tegangan pegas, dimungkinkan untuk memastikan bahwa bagian utama dari daya input dilepaskan di busur, dan bukan di batang grafit. Ruang diisi dengan helium, tekanan 100 Torr. Laju penguapan grafit dalam instalasi ini bisa mencapai 10g/W. Dalam hal ini, permukaan selubung tembaga, didinginkan oleh air, ditutupi dengan produk penguapan grafit, mis. jelaga grafit. Jika bubuk yang dihasilkan dikerok dan disimpan selama beberapa jam dalam toluena mendidih, diperoleh cairan berwarna coklat tua. Ketika diuapkan dalam evaporator berputar, diperoleh bubuk halus, beratnya tidak lebih dari 10% dari berat jelaga grafit asli, mengandung hingga 10% fullerene C 60 (90%) dan C 70 ( 10%).Metode busur yang dijelaskan untuk mendapatkan fullerene diberi nama "busur fullerene".

Dalam metode yang dijelaskan untuk mendapatkan fullerene, helium berperan sebagai gas penyangga. Dibandingkan dengan atom lain, atom helium paling efektif "memadamkan" gerakan osilasi fragmen karbon tereksitasi yang mencegahnya bergabung menjadi struktur yang stabil. Selain itu, atom helium membawa energi yang dilepaskan ketika fragmen karbon bergabung. Pengalaman menunjukkan bahwa tekanan helium optimum berada pada kisaran 100 Torr. Pada tekanan yang lebih tinggi, agregasi fragmen karbon sulit dilakukan.

Gbr.4. Skema instalasi untuk mendapatkan fullerene.

1 - elektroda grafit;

2 - bus tembaga berpendingin; 3 - selubung tembaga,

4 - mata air.

Perubahan parameter proses dan desain pabrik menyebabkan perubahan efisiensi proses dan komposisi produk. Kualitas produk dikonfirmasi baik dengan pengukuran spektrometri massa dan dengan metode lain (resonansi magnetik nuklir, resonansi paramagnetik elektron, spektroskopi IR, dll.)

Tinjauan tentang metode yang ada saat ini untuk mendapatkan fullerene dan perangkat instalasi di mana berbagai fullerene diperoleh diberikan dalam karya G.N. Churilov.

Metode pemurnian dan deteksi

Metode ekstraksi fullerene yang paling nyaman dan tersebar luas dari produk dekomposisi termal grafit (istilah: kondensat yang mengandung fullerene, jelaga yang mengandung fullerene), serta pemisahan dan pemurnian selanjutnya dari fullerene, didasarkan pada penggunaan pelarut dan sorben.

Metode ini mencakup beberapa tahap. Pada tahap pertama, jelaga yang mengandung fullerene diperlakukan dengan pelarut non-polar, yaitu benzena, toluena, dan zat lainnya. Dalam hal ini, fullerene, yang memiliki kelarutan signifikan dalam pelarut ini, dipisahkan dari fraksi tidak larut, yang kandungannya dalam fase yang mengandung fullerene biasanya 70-80%. Nilai khas kelarutan fullerene dalam larutan yang digunakan untuk sintesisnya adalah beberapa persepuluh persen mol. Penguapan larutan fullerene yang diperoleh dengan cara ini mengarah pada pembentukan bubuk polikristalin hitam, yang merupakan campuran fullerene dari berbagai tingkat. Spektrum massa yang khas dari produk semacam itu menunjukkan bahwa ekstrak fullerene adalah 80 - 90% C 60 dan 10 -15% C 70 . Selain itu, ada sejumlah kecil (pada tingkat fraksi persen) fullerene yang lebih tinggi, yang isolasinya dari ekstrak merupakan masalah teknis yang agak rumit. Ekstrak fullerene yang dilarutkan dalam salah satu pelarut dilewatkan melalui suatu sorben yang dapat berupa aluminium, karbon aktif, atau oksida (Al 2 O 3 , SiO 2) dengan karakteristik sorpsi yang tinggi. Fullerene dikumpulkan oleh logam ini dan kemudian diekstraksi darinya dengan pelarut murni. Efisiensi ekstraksi ditentukan oleh kombinasi pelarut sorben-fullerena dan biasanya, bila menggunakan sorben dan pelarut tertentu, sangat tergantung pada jenis fullerena. Oleh karena itu, pelarut melewati sorben dengan fullerene yang teradsorpsi di dalamnya mengekstrak fullerene dari berbagai jenis dari sorben secara bergantian, yang dengan demikian dapat dengan mudah dipisahkan satu sama lain. Pengembangan lebih lanjut dari teknologi yang dijelaskan untuk memperoleh pemisahan dan pemurnian fullerene, berdasarkan sintesis busur listrik jelaga yang mengandung fullerene dan pemisahan selanjutnya menggunakan sorben dan pelarut, mengarah pada penciptaan instalasi yang memungkinkan mensintesis C 60 dalam jumlah satu gram per jam.

1.4 Sifat fullerene

Fullerene kristal dan film adalah semikonduktor dengan celah pita 1,2-1,9 eV dan memiliki fotokonduktivitas. Ketika disinari dengan cahaya tampak, hambatan listrik dari kristal fullerite berkurang. Fotokonduktivitas tidak hanya dimiliki oleh fullerite murni, tetapi juga oleh berbagai campurannya dengan zat lain. Ditemukan bahwa penambahan atom kalium ke film C 60 menyebabkan munculnya superkonduktivitas pada 19 K.

Molekul fullerene, di mana atom karbon dihubungkan satu sama lain oleh ikatan tunggal dan ganda, adalah analog tiga dimensi dari struktur aromatik. Memiliki elektronegativitas tinggi, mereka bertindak dalam reaksi kimia sebagai oksidator kuat. Dengan menempelkan radikal pada diri mereka sendiri dengan sifat kimia yang berbeda, fullerene mampu membentuk kelas luas senyawa kimia dengan sifat fisikokimia yang berbeda. Sebagai contoh, film polifullerena baru-baru ini diperoleh di mana molekul C60 dihubungkan satu sama lain bukan oleh van der Waals, seperti dalam kristal fullerite, tetapi melalui interaksi kimia. Film plastik ini adalah jenis bahan polimer baru. Hasil menarik telah dicapai dalam arah sintesis polimer berdasarkan fullerene. Dalam hal ini, fullerene C 60 berfungsi sebagai dasar dari rantai polimer, dan hubungan antar molekul dilakukan menggunakan cincin benzena. Struktur ini telah menerima nama kiasan "untaian mutiara".

Penambahan radikal yang mengandung logam golongan platinum ke C 60 memungkinkan untuk memperoleh bahan feromagnetik berdasarkan fullerene. Sekarang diketahui bahwa lebih dari sepertiga unsur-unsur tabel periodik dapat ditempatkan di dalam molekul. Dari 60 . Ada laporan tentang pengenalan atom lantanum, nikel, natrium, kalium, rubidium, sesium, atom unsur tanah jarang seperti terbium, gadolinium dan disprosium.

Keragaman sifat fisikokimia dan struktur senyawa berdasarkan fullerene memungkinkan untuk berbicara tentang kimia fullerene sebagai arah baru yang menjanjikan dalam kimia organik.

1.5. Aplikasi fullerene

Saat ini, literatur ilmiah membahas penggunaan fullerene untuk pembuatan fotodetektor dan perangkat optoelektronik, katalis pertumbuhan, film seperti berlian dan berlian, bahan superkonduktor, dan juga sebagai pewarna untuk mesin fotokopi. Fullerene digunakan untuk sintesis logam dan paduan dengan sifat baru.

Fullerene rencananya akan digunakan sebagai dasar produksi baterai. Baterai ini, yang prinsipnya didasarkan pada reaksi penambahan hidrogen, dalam banyak hal mirip dengan baterai nikel yang banyak digunakan, namun, tidak seperti yang terakhir, baterai ini memiliki kemampuan untuk menyimpan sekitar lima kali jumlah hidrogen tertentu. Selain itu, baterai tersebut dicirikan oleh efisiensi yang lebih tinggi, bobot yang ringan, dan keamanan lingkungan dan kesehatan dibandingkan dengan baterai berbasis lithium yang paling canggih dalam hal kualitas ini. Baterai tersebut dapat digunakan secara luas untuk menyalakan komputer pribadi dan alat bantu dengar.

Solusi fullerene dalam pelarut nonpolar (karbon disulfida, toluena, benzena, karbon tetraklorida, dekana, heksana, pentana) dicirikan oleh sifat optik nonlinier, yang memanifestasikan dirinya, khususnya, dalam penurunan tajam dalam transparansi larutan dalam kondisi tertentu . Ini membuka kemungkinan untuk menggunakan fullerene sebagai dasar penutup optik yang membatasi intensitas radiasi laser.

Ada prospek menggunakan fullerene sebagai dasar untuk menciptakan media memori dengan kepadatan informasi yang sangat tinggi. Fullerene dapat digunakan sebagai aditif untuk bahan bakar roket dan pelumas.

Banyak perhatian diberikan pada masalah penggunaan fullerene dalam kedokteran dan farmakologi. Gagasan membuat obat antikanker berdasarkan senyawa endohedral yang larut dalam air dari fullerene dengan isotop radioaktif dibahas. ( Senyawa endohedral adalah molekul fullerene yang mengandung satu atau lebih atom suatu unsur). Kondisi untuk sintesis obat antivirus dan antikanker berdasarkan fullerene ditemukan. Salah satu kesulitan dalam memecahkan masalah ini adalah penciptaan senyawa fullerene non-toksik yang larut dalam air yang dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia dan dikirim melalui darah ke organ yang dikenai tindakan terapeutik.

Penggunaan fullerene dibatasi oleh biayanya yang tinggi, yang terdiri dari kesulitan mendapatkan campuran fullerene dan isolasi komponen individu darinya.

1.6 Karbon nanotube

Struktur nanotube

Seiring dengan struktur karbon spheroidal, struktur silinder diperpanjang, yang disebut nanotube, juga dapat dibentuk, yang dibedakan oleh berbagai sifat fisikokimia.

Tabung nano yang ideal adalah bidang grafit yang digulung menjadi silinder, mis. permukaan yang dilapisi dengan segi enam biasa, di simpul di mana atom karbon berada ..).

Parameter yang menunjukkan koordinat segi enam, yang, sebagai hasil dari pelipatan bidang, harus bertepatan dengan segi enam yang terletak di titik asal koordinat, disebut kiralitas tabung nano dan dilambangkan dengan himpunan simbol (m, n). Kiralitas nanotube menentukan karakteristik listriknya.

Pengamatan mikroskop elektron telah menunjukkan bahwa kebanyakan nanotube terdiri dari beberapa lapisan grafit, baik bersarang satu di dalam yang lain atau luka di sekitar sumbu umum.

nanotube berdinding tunggal

pada Nasi. 4 model ideal dari nanotube berdinding tunggal disajikan. Tabung seperti itu berakhir dengan simpul hemisfer yang mengandung bersama dengan

dengan segi enam biasa, juga enam segilima biasa. Kehadiran segi lima di ujung tabung memungkinkan untuk menganggapnya sebagai kasus pembatas molekul fullerene, panjang sumbu longitudinal yang jauh melebihi diameternya.

Struktur nanotube berdinding tunggal yang diamati secara eksperimental berbeda dalam banyak hal dari gambar ideal yang disajikan di atas. Pertama-tama, ini menyangkut bagian atas tabung nano, yang bentuknya, sebagai berikut dari pengamatan, jauh dari belahan bumi yang ideal.

nanotube multilayer

Nanotube multilayer berbeda dari nanotube single-layer dalam berbagai bentuk dan konfigurasi yang jauh lebih luas baik dalam arah memanjang dan melintang. Varietas yang mungkin dari struktur transversal nanotube multilayer ditunjukkan pada: Nasi. 5. Struktur seperti "boneka Rusia" (boneka Rusia) adalah satu set nanotube lapisan tunggal bersarang koaksial (Nasi 5a). Variasi lain dari struktur ini, ditunjukkan pada Nasi. 5 b, adalah himpunan prisma koaksial bersarang. Akhirnya, yang terakhir dari struktur di atas ( Nasi. 5c), terlihat seperti gulungan. Untuk semua struktur di atas, jarak antara lapisan grafit yang berdekatan mendekati 0,34 nm, yaitu. jarak antara bidang grafit kristal yang berdekatan. Realisasi satu struktur atau lainnya dalam situasi eksperimental tertentu tergantung pada kondisi sintesis nanotube.

Harus diingat bahwa struktur transversal ideal dari nanotube, di mana jarak antara lapisan yang berdekatan mendekati 0,34 nm dan tidak bergantung pada koordinat aksial, terdistorsi dalam praktiknya karena efek gangguan dari nanotube tetangga.

Kehadiran cacat juga menyebabkan distorsi bentuk bujursangkar nanotube dan memberinya bentuk akordeon.

Jenis cacat lain, sering dicatat pada permukaan grafit nanotube multilayer, dikaitkan dengan pengenalan ke permukaan, yang terutama terdiri dari segi enam biasa, dari sejumlah segi lima atau segi enam. Ini mengarah pada pelanggaran bentuk silinder, dengan pengenalan segilima menyebabkan tikungan cembung, sedangkan pengenalan segi enam berkontribusi pada penampilan tikungan cekung. Dengan demikian, cacat tersebut menyebabkan munculnya nanotube bengkok dan heliks.

Struktur nanopartikel

Selama pembentukan fullerene dari grafit, nanopartikel juga terbentuk. Ini adalah struktur tertutup yang mirip dengan fullerene, tetapi jauh lebih besar darinya. Tidak seperti fullerene, mereka, seperti nanotube, dapat berisi beberapa lapisan.Mereka memiliki struktur cangkang grafit yang tertutup dan bersarang.

Dalam nanopartikel, mirip dengan grafit, atom-atom di dalam cangkang dihubungkan oleh ikatan kimia, dan ada interaksi van der Waals yang lemah antara atom-atom cangkang tetangga. Biasanya, cangkang nanopartikel memiliki bentuk yang mendekati polihedron. Dalam struktur masing-masing cangkang tersebut, selain segi enam, seperti pada struktur grafit, ada 12 segilima, pasangan tambahan lima dan segi enam diamati. Sebuah studi mikroskopis elektron tentang bentuk dan struktur partikel karbon dalam kondensat yang mengandung fullerene baru-baru ini dilakukan dalam karya Jarkov S.M., Kashkin V.B.

Mendapatkan nanotube karbon

Karbon nanotube dibentuk oleh sputtering termal dari elektroda grafit dalam plasma pelepasan busur yang terbakar dalam atmosfer helium. Metode ini, serta metode sputtering laser, yang mendasari teknologi efisien untuk memperoleh fullerene, memungkinkan untuk memperoleh nanotube dalam jumlah yang cukup untuk studi rinci sifat fisikokimia mereka.

Sebuah nanotube dapat diperoleh dari fragmen grafit diperpanjang, yang kemudian dipelintir menjadi sebuah tabung. Untuk pembentukan fragmen yang diperpanjang, diperlukan kondisi khusus untuk memanaskan grafit. Kondisi optimal untuk mendapatkan nanotube diwujudkan dalam pelepasan busur menggunakan grafit elektrolit sebagai elektroda.

Di antara berbagai produk sputtering termal grafit (fullerene, nanopartikel, partikel jelaga), sebagian kecil (beberapa persen) dicatat oleh nanotube multilayer, yang sebagian melekat pada permukaan dingin instalasi, sebagian disimpan di permukaan sepanjang dengan jelaga.

Tabung nano berdinding tunggal terbentuk ketika campuran kecil Fe, Co, Ni, Cd ditambahkan ke anoda (yaitu, dengan menambahkan katalis). Selain itu, nanotube berdinding tunggal diperoleh dengan mengoksidasi nanotube berdinding banyak. Untuk tujuan oksidasi, nanotube multilayer diperlakukan dengan oksigen pada pemanasan sedang, atau dengan asam nitrat mendidih, dan dalam kasus terakhir, cincin grafit beranggota lima dihilangkan, yang mengarah ke pembukaan ujung tabung. untuk menghapus lapisan atas dari tabung multilayer dan membuka ujungnya. Karena reaktivitas nanopartikel lebih tinggi daripada nanotube, fraksi nanotube di bagian yang tersisa meningkat dengan penghancuran signifikan produk karbon sebagai akibat oksidasi.

Dalam metode busur listrik untuk memperoleh fullerene, bagian dari bahan yang dihancurkan di bawah aksi busur anoda grafit diendapkan pada katoda. Pada akhir proses penghancuran batang grafit, formasi ini tumbuh sedemikian rupa sehingga menutupi seluruh area busur. Hasil ini memiliki bentuk mangkuk, di mana anoda dimasukkan. Sifat fisis dari katoda sangat berbeda dengan sifat grafit yang membentuk anoda. Kekerasan mikro build-up adalah 5,95 GPa (grafit -0,22 GPa), kepadatan build-up 1,32 g/cm 3 (grafit -2,3 g/cm 3), resistivitas listrik build-up 1,4 * 10 -4 Ohm m , yang hampir urutan besarnya lebih tinggi dari grafit (1,5 * 10 -5 ohm m). Pada 35 K, kerentanan magnetik yang sangat tinggi dari penumpukan pada katoda ditemukan, yang memungkinkan untuk mengasumsikan bahwa penumpukan terutama terdiri dari nanotube (Belov N.N.).

Sifat nanotube

Prospek luas untuk penggunaan nanotube dalam ilmu material terbuka ketika kristal superkonduktor (misalnya, TaC) dienkapsulasi di dalam nanotube karbon. Teknologi berikut dijelaskan dalam literatur. Kami menggunakan pelepasan busur DC ~30 A pada tegangan 30 V dalam atmosfer helium dengan elektroda yang merupakan campuran terkompresi bubuk thallium dengan pigmen grafit. Jarak antarelektroda adalah 2-3 mm. Menggunakan mikroskop elektron tunneling, sejumlah besar kristal TaC dikemas dalam nanotube ditemukan dalam produk dekomposisi termal dari bahan elektroda.. X Ukuran melintang khas kristalit adalah sekitar 7 nm, dan panjang khas nanotube lebih dari 200 nm. Nanotube adalah silinder multilayer dengan jarak antara lapisan 0,3481 ± 0,0009 nm, dekat dengan parameter yang sesuai untuk grafit. Pengukuran ketergantungan suhu dari kerentanan magnetik sampel menunjukkan bahwa nanocrystals dienkapsulasi berubah menjadikeadaan superkonduktor pada T=10 K

Kemungkinan mendapatkan kristal superkonduktor yang dikemas dalam nanotube memungkinkan untuk mengisolasi mereka dari efek berbahaya dari lingkungan eksternal, misalnya, dari oksidasi, sehingga membuka jalan untuk pengembangan nanoteknologi yang lebih efisien.

Kerentanan magnetik negatif yang besar dari nanotube menunjukkan sifat diamagnetiknya. Diasumsikan bahwa diamagnetisme nanotube disebabkan oleh aliran arus elektron di sepanjang kelilingnya. Nilai suseptibilitas magnetik tidak tergantung pada orientasi sampel, yang dikaitkan dengan strukturnya yang tidak teratur. Nilai yang relatif besar dari suseptibilitas magnetik menunjukkan bahwa, setidaknya di salah satu arah, nilai ini sebanding dengan nilai yang sesuai untuk grafit. Perbedaan antara ketergantungan suhu dari kerentanan magnetik nanotube dan data yang sesuai untuk bentuk lain dari karbon menunjukkan bahwa nanotube karbon adalah bentuk independen yang terpisah dari karbon, sifat-sifat yang secara fundamental berbeda dari sifat-sifat karbon di negara bagian lain..

Aplikasi nanotube

Banyak aplikasi teknologi nanotube didasarkan pada luas permukaan spesifiknya yang tinggi (dalam kasus nanotube satu lapis, sekitar 600 meter persegi per 1/g), yang membuka kemungkinan untuk menggunakannya sebagai bahan berpori dalam filter, dll. .

Bahan nanotube dapat berhasil digunakan sebagai substrat pembawa untuk katalisis heterogen, dan aktivitas katalitik nanotube terbuka secara signifikan melebihi parameter yang sesuai untuk nanotube tertutup.

Dimungkinkan untuk menggunakan nanotube dengan permukaan spesifik yang tinggi sebagai elektroda untuk kapasitor elektrolitik dengan daya spesifik yang tinggi.

Karbon nanotube telah membuktikan diri dengan baik dalam eksperimen penggunaannya sebagai lapisan yang mendorong pembentukan film berlian. Seperti yang ditunjukkan oleh foto-foto yang diambil dengan mikroskop elektron, lapisan intan yang diendapkan pada film tabung nano berbeda lebih baik dalam hal kerapatan dan keseragaman inti dari film yang disimpan pada C 60 dan C 70 .

Sifat nanotube seperti ukurannya yang kecil, yang sangat bervariasi tergantung pada kondisi sintesis, konduktivitas listrik, kekuatan mekanik dan stabilitas kimia memungkinkan untuk mempertimbangkan nanotube sebagai dasar untuk elemen masa depan mikroelektronika. Telah dibuktikan dengan perhitungan bahwa pengenalan pasangan pentagon-heptagon ke dalam struktur ideal nanotube sebagai cacat mengubah sifat elektroniknya. Sebuah nanotube dengan cacat tertanam di dalamnya dapat dianggap sebagai heterojunction logam-semikonduktor, yang, pada prinsipnya, dapat membentuk dasar elemen semikonduktor dari dimensi kecil yang memecahkan rekor.

Nanotube dapat berfungsi sebagai dasar untuk alat ukur tertipis yang digunakan untuk mengontrol ketidakhomogenan permukaan sirkuit elektronik.

Aplikasi menarik dapat diperoleh dengan mengisi nanotube dengan berbagai bahan. Dalam hal ini, nanotube dapat digunakan baik sebagai pembawa material yang mengisinya, dan sebagai selubung isolasi yang melindungi material ini dari kontak listrik atau dari interaksi kimia dengan benda-benda di sekitarnya.

KESIMPULAN

Meskipun fullerene memiliki sejarah singkat, bidang ilmu ini berkembang pesat, menarik semakin banyak peneliti baru. Bidang sains ini mencakup tiga bidang: fisika fullerene, kimia fullerene, dan teknologi fullerene.

Fisika fullerene berkaitan dengan studi struktur, mekanik, listrik, magnetik, sifat optik fullerene dan senyawanya dalam berbagai keadaan fasa. Ini juga mencakup studi tentang sifat interaksi antara atom karbon dalam senyawa ini, spektroskopi molekul fullerene, sifat dan struktur sistem yang terdiri dari molekul fullerene. Fisika fullerene adalah cabang paling maju di bidang fullerene.

Kimia fullerene terkait dengan penciptaan dan studi senyawa kimia baru, yang didasarkan pada molekul karbon tertutup, dan juga mempelajari proses kimia di mana mereka berpartisipasi. Perlu dicatat bahwa dalam hal konsep dan metode penelitian, bidang kimia ini pada dasarnya berbeda dari kimia tradisional dalam banyak hal.

Teknologi Fullerene mencakup metode produksi fullerene dan berbagai aplikasinya.

BIBLIOGRAFI

1. Sokolov V. I., Stankevich I. V. Fullerene - bentuk karbon alotropik baru: struktur, struktur elektronik dan sifat kimia // Advances in Chemistry, vol.62 (5), p.455, 1993.

2. Arahan baru dalam penelitian fullerene//UFN, v. 164 (9), hlm. 1007, 1994.

3. Eletsky A.V., Smirnov B.M. Fullerene dan struktur karbon//UFN, v. 165 (9), hlm. 977, 1995.

4. Zolotukhin I.V. Fullerite adalah bentuk baru dari karbon // SOZH No. 2, hal. 51, 1996.

5. Masterov V.F. Sifat fisik fullerene // SOZH No.1, hlm.92, 1997.

6. Lozovik Yu.V., Popov A.M. Pembentukan dan pertumbuhan struktur nano karbon - fullerene, nanopartikel, nanotube dan kerucut//UFN, v. 167 (7), hlm. 151, 1997/

7. Eletsky A.V. .Tabung nano karbon//UFN, v.167(9), hlm.945, 1997.

8. Smalley R.E. Menemukan fullerene//UFN, v.168 (3), p.323, 1998.

9. Churilov G.N. Tinjauan metode untuk memperoleh fullerene // Bahan konferensi antar-wilayah ke-2 dengan partisipasi internasional "Bubuk ultrafine, struktur nano, bahan", Krasnoyarsk, KSTU, 5-7 Oktober 1999,. dengan. 77-87.

10. Belov N.N. dkk Struktur permukaan katoda yang terbentuk selama sintesis fullerene // Aerosols vol.4f, N1, 1998, pp.25-29

11. S.M. Jarkov,. Titarenko Ya.N., Churilov G.N. Mikroskop elektron mempelajari partikel karbon FCC// Karbon, v. 36, No. 5-6, 1998, hlm. 595-597

12. Kashkin V.B., Rubleva T.V., Kashkina L.V., Mosin R.A. Pemrosesan digital gambar mikroskopis elektron dari partikel karbon dalam jelaga yang mengandung fullerene // Prosiding konferensi antar-wilayah ke-2 dengan partisipasi internasional "Bubuk ultrafine, struktur nano, bahan", Krasnoyarsk, KSTU, 5-7 Oktober 1999. dengan. 91-92

Tikus tertua dalam kelompok yang mengonsumsi fullerene C60 hidup selama 66 bulan, yang merupakan rekor mutlak.

Fullerene C60, umumnya dikenal sebagai “ bola bucky“, adalah bentuk alotropik dari karbon (lihat gambar), yang setiap molekulnya terdiri dari 60 atom yang terikat satu sama lain sedemikian rupa sehingga membentuk struktur bola. Senyawa yang luar biasa ini, yang baru ditemukan pada tahun 1985, sering dianggap memiliki sifat yang hampir ajaib.

Salah satu sifat biologis ini - fullerene C60 adalah antioksidan yang sangat kuat yang mengganggu proses oksidatif, yang menyebabkan penuaan tubuh terjadi, sehingga konsumsi fullerene C60 oleh tikus menyebabkan penurunan penuaan yang signifikan.

Penelitian ini dilakukan untuk membuktikan, pertama, bahwa C60 tidak beracun dan, kedua, diserap ke dalam darah. Telah ditemukan bahwa molekul C60 dapat melewati membran sel dan oleh karena itu dapat menyebabkan efek intraseluler yang penting untuk memperlambat penuaan.

Data yang luar biasa dan menarik ini harus direproduksi dengan jelas - baik pada tikus maupun pada spesies hewan lainnya.

Dennis (penulis versi bahasa Inggris asli dari artikel ini) memberitahukan hasil ini kepada Dr. Cynthia Kenyon, salah satu ahli umur terkemuka di dunia yang bekerja dengan nematoda (cacing gelang). "Sangat menarik," jawabnya. Kemudian Dennis menyarankan agar dia segera melakukan percobaan yang sama di laboratoriumnya, memberikan C60 kepada nematoda. "Itu ide yang bagus," katanya. Kemungkinan besar, dia akan mengundang Dennis untuk ambil bagian dalam pekerjaan ini.

Dennis juga berhasil menghubungi Fathi Moussa, penulis utama penelitian fullerene C60. Ternyata dia berencana untuk mengulang penelitian pada kelompok besar hewan.

Salah satu komentator menyatakan keraguan apakah kandungan kalori dari makanan kelompok tikus yang diobati dengan fullerene C60 tidak dibatasi secara tidak sengaja. “Tidak, asupan kalori hewan tidak dibatasi,” jawab Moussa. “Pertumbuhan mereka tidak berbeda secara signifikan dengan hewan kontrol.”

Saat ini, fullerene C60 dijual dengan harga sekitar $40 per gram dan dapat dibeli untuk membuat krim yang ditujukan untuk mencegah penuaan kulit. Beberapa orang pemberani bahkan mungkin mulai mengonsumsi C60 sebagai suplemen makanan.

Karena Dennis tertarik dengan pertanyaan ini, dia bertanya kepada seseorang yang mengetahui masalahnya secara langsung - Dr. Muss, apakah dia sudah mulai menggunakan C60. "Tidak," katanya. “Saat ini saya tidak menggunakan C60.”

Penemuan fullerene - bentuk baru keberadaan salah satu elemen paling umum di Bumi - karbon, diakui sebagai salah satu penemuan menakjubkan dan paling penting dalam sains abad ke-20. Terlepas dari kemampuan unik yang telah lama diketahui dari atom karbon untuk mengikat ke dalam struktur molekul yang kompleks, sering bercabang dan besar, yang merupakan dasar dari semua kimia organik, kemungkinan sebenarnya untuk membentuk molekul kerangka yang stabil dari hanya satu karbon ternyata tidak terduga. Konfirmasi eksperimental bahwa molekul jenis ini, yang terdiri dari 60 atom atau lebih, dapat muncul dalam proses yang terjadi secara alami di alam terjadi pada tahun 1985. Dan jauh sebelum itu, beberapa penulis mengasumsikan stabilitas molekul dengan lingkup karbon tertutup. Namun, asumsi ini murni spekulatif, murni teoretis. Agak sulit membayangkan bahwa senyawa seperti itu dapat diperoleh dengan sintesis kimia. Oleh karena itu, karya-karya ini tetap tidak diperhatikan, dan perhatian diberikan kepada mereka hanya setelah fakta, setelah penemuan eksperimental fullerene. Tahap baru dimulai pada tahun 1990, ketika metode ditemukan untuk memperoleh senyawa baru dalam jumlah gram, dan metode untuk mengisolasi fullerene dalam bentuk murni dijelaskan. Segera setelah itu, karakteristik struktural dan fisikokimia terpenting dari fullerene C 60, senyawa yang paling mudah dibentuk di antara fullerene yang diketahui, ditentukan. Untuk penemuan mereka - penemuan gugus karbon komposisi C 60 dan C 70 - R. Kerl, R. Smalley dan G. Kroto pada tahun 1996 dianugerahi Hadiah Nobel Kimia. Mereka juga mengusulkan struktur fullerene C 60 , yang diketahui semua penggemar sepak bola.

Seperti yang Anda ketahui, cangkang bola sepak terdiri dari 12 segi lima dan 20 segi enam. Secara teoritis, 12.500 susunan ikatan rangkap dan tunggal dimungkinkan. Isomer yang paling stabil (ditunjukkan pada gambar) memiliki struktur ikosahedral terpotong yang tidak memiliki ikatan rangkap di segi lima. Isomer C 60 ini dinamai "Buckminsterfullerene" untuk menghormati arsitek terkenal bernama R. Buckminster Fuller, yang menciptakan struktur, kerangka kubahnya dibangun dari segi lima dan segi enam. Segera struktur untuk C 70 diusulkan, menyerupai bola rugby (dengan bentuk memanjang).

Dalam kerangka karbon, atom C dicirikan oleh hibridisasi sp2, dengan setiap atom karbon terikat pada tiga atom tetangga. Valensi 4 diwujudkan melalui ikatan-p antara setiap atom karbon dan salah satu tetangganya. Secara alami, diasumsikan bahwa ikatan-p dapat terdelokalisasi, seperti pada senyawa aromatik. Struktur seperti itu dapat dibangun untuk n≥20 untuk setiap cluster genap. Mereka harus berisi 12 segilima dan (n-20)/2 heksa. Fullerene C 20 terendah yang mungkin secara teoritis tidak lebih dari dodecahedron - salah satu dari lima polyhedra biasa, di mana ada 12 wajah pentagonal, dan tidak ada wajah heksagonal sama sekali. Molekul dengan bentuk seperti itu akan memiliki struktur yang sangat tegang, dan oleh karena itu keberadaannya secara energetik tidak menguntungkan.

Jadi, dalam hal stabilitas, fullerene dapat dibagi menjadi dua jenis. Perbatasan di antara mereka memungkinkan Anda menggambar apa yang disebut. aturan segi lima terisolasi (Isolated Pentagon Rule, IPR). Aturan ini menyatakan bahwa fullerene yang paling stabil adalah yang tidak memiliki sepasang segilima yang tepinya berdekatan. Dengan kata lain, segi lima tidak saling bersentuhan, dan setiap segi lima dikelilingi oleh lima segi enam. Jika fullerene diatur dalam urutan peningkatan jumlah atom karbon n, maka Buckminsterfullerene - C 60 adalah perwakilan pertama yang memenuhi aturan pentagon terisolasi, dan C 70 adalah yang kedua. Di antara molekul fullerene dengan n>70 selalu ada isomer yang tunduk pada IPR, dan jumlah isomer tersebut meningkat pesat dengan jumlah atom. Ditemukan 5 isomer untuk C 78 , 24- untuk C 84 dan 40 - untuk C 90 . Isomer yang memiliki segi lima yang berdekatan dalam strukturnya secara signifikan kurang stabil.

Kimia fullerene

Saat ini, bagian utama dari penelitian ilmiah terkait dengan kimia fullerene. Lebih dari 3 ribu senyawa baru telah disintesis berdasarkan fullerene. Perkembangan kimia fullerene yang begitu cepat dikaitkan dengan fitur struktural molekul ini dan adanya sejumlah besar ikatan terkonjugasi ganda pada bola karbon tertutup. Kombinasi fullerene dengan perwakilan dari banyak kelas zat yang diketahui membuka kemungkinan bagi ahli kimia sintetis untuk mendapatkan banyak turunan dari senyawa ini.

Tidak seperti benzena, di mana panjang ikatan C-C sama, dalam ikatan fullerene dengan karakter yang lebih "ganda" dan lebih "tunggal" dapat dibedakan, dan ahli kimia sering menganggap fullerene sebagai sistem poliena yang kekurangan elektron, dan bukan sebagai molekul aromatik. Jika kita beralih ke 60, maka ada dua jenis ikatan di dalamnya: ikatan yang lebih pendek (1,39 ) yang berjalan di sepanjang tepi umum dari permukaan heksagonal yang berdekatan, dan ikatan yang lebih panjang (1,45 ) yang terletak di sepanjang tepi umum dari wajah pentagonal dan heksagonal. Pada saat yang sama, baik cincin beranggota enam maupun, terlebih lagi, cincin beranggota lima tidak menunjukkan sifat aromatik dalam arti di mana mereka ditunjukkan oleh benzena atau molekul terkonjugasi planar lainnya yang mematuhi aturan Hückel. Oleh karena itu, biasanya ikatan yang lebih pendek di C 60 dianggap ganda, sedangkan yang lebih panjang adalah tunggal. Salah satu fitur yang paling penting dari fullerene adalah bahwa mereka memiliki jumlah yang luar biasa besar dari pusat reaksi setara, yang sering mengarah ke komposisi isomer kompleks dari produk reaksi dengan partisipasi mereka. Akibatnya, sebagian besar reaksi kimia dengan fullerene tidak selektif, dan sintesis senyawa individu sangat sulit.

Di antara reaksi untuk memperoleh turunan fullerene anorganik, yang paling penting adalah proses halogenasi dan produksi turunan halogen paling sederhana, serta reaksi hidrogenasi. Jadi, reaksi-reaksi ini termasuk yang pertama dilakukan dengan fullerene C 60 pada tahun 1991. Mari kita perhatikan jenis reaksi utama yang mengarah pada pembentukan senyawa ini.

Segera setelah penemuan fullerene, kemungkinan hidrogenasi mereka dengan pembentukan "fullerane" membangkitkan minat besar. Awalnya, tampaknya mungkin untuk menambahkan enam puluh atom hidrogen ke fullerene. Selanjutnya, dalam studi teoretis, ditunjukkan bahwa dalam molekul C 60 H 60, bagian dari atom hidrogen harus berada di dalam bola fullerene, karena cincin beranggota enam, seperti molekul sikloheksana, harus mengambil "kursi" atau "mandi" konformasi. Oleh karena itu, molekul polihidrofullerena yang diketahui saat ini mengandung dari 2 hingga 36 atom hidrogen untuk fullerene C 60 dan dari 2 hingga 8 untuk fullerene C 70 .

Selama fluorinasi fullerene, satu set lengkap senyawa C 60 F n ditemukan, di mana n mengambil nilai genap hingga 60. Turunan fluor dengan n dari 50 hingga 60 disebut perfluorida dan ditemukan di antara produk fluorinasi dengan spektral massa dalam konsentrasi yang sangat rendah. Ada juga hiperfluorida, yaitu produk dari komposisi C 60 F n , n>60, di mana sangkar karbon fullerene dihancurkan sebagian. Diasumsikan bahwa ini juga terjadi pada perfluorida. Masalah sintesis fluorida fullerene dari berbagai komposisi adalah masalah independen yang paling menarik, yang studinya paling aktif dipelajari di Fakultas Kimia Universitas Negeri Moskow. M.V. Lomonosov.

Studi aktif tentang proses klorinasi fullerene dalam berbagai kondisi sudah dimulai pada tahun 1991. Dalam karya pertama, penulis mencoba untuk mendapatkan C 60 klorida dengan mereaksikan klorin dan fullerene dalam berbagai pelarut. Sampai saat ini, beberapa individu fullerene klorida C60 dan C70 yang diperoleh dengan menggunakan berbagai zat klorinasi telah diisolasi dan dikarakterisasi.

Upaya pertama untuk brominasi fullerene sudah dilakukan pada tahun 1991. Fullerene C 60 , ditempatkan dalam brom murni pada suhu 20 dan 50 o C, meningkatkan massa dengan nilai yang sesuai dengan penambahan 2-4 atom bromin per molekul fullerene. Studi lebih lanjut dari brominasi menunjukkan bahwa interaksi fullerene C 60 dengan molekul bromin selama beberapa hari menghasilkan zat oranye terang, komposisi yang ditentukan oleh analisis unsur adalah C 60 Br 28 . Selanjutnya, beberapa turunan bromo dari fullerene disintesis, yang berbeda dalam kisaran nilai yang luas untuk jumlah atom bromin dalam suatu molekul. Banyak dari mereka dicirikan oleh pembentukan klatrat dengan masuknya molekul bromin bebas.

Ketertarikan pada turunan perfluoroalkil, khususnya turunan trifluorometilasi dari fullerene, dikaitkan terutama dengan stabilitas kinetik yang diharapkan dari senyawa ini dibandingkan dengan turunan halogen dari fullerene yang rentan terhadap reaksi substitusi S N 2' nukleofilik. Selain itu, perfluoroalkilfullerena mungkin menarik sebagai senyawa dengan afinitas elektron tinggi karena sifat akseptor gugus perfluoroalkil yang bahkan lebih kuat daripada atom fluor. Sampai saat ini, jumlah senyawa individu yang diisolasi dan dikarakterisasi dari komposisi C 60/70 (CF 3) n, n=2-20 melebihi 30, dan pekerjaan intensif sedang dilakukan untuk memodifikasi bola fullerene oleh banyak kelompok yang mengandung fluor lainnya - CF 2 , C 2 F 5 , C 3 F 7 .

Penciptaan derivatif fullerene yang aktif secara biologis, yang dapat diterapkan dalam biologi dan kedokteran, dikaitkan dengan pemberian sifat hidrofilik ke molekul fullerene. Salah satu metode untuk sintesis turunan fullerene hidrofilik adalah pengenalan gugus hidroksil dan pembentukan fullerenol atau fullerol yang mengandung hingga 26 gugus OH, dan juga, mungkin, jembatan oksigen serupa dengan yang diamati dalam kasus oksida. Senyawa tersebut sangat larut dalam air dan dapat digunakan untuk sintesis turunan fullerene baru.

Adapun oksida fullerene, senyawa C 60 O dan C 70 O selalu ada dalam campuran awal fullerene dalam ekstrak dalam jumlah kecil. Mungkin, oksigen hadir di dalam ruangan selama pelepasan busur listrik dan beberapa fullerene teroksidasi. Oksida fullerene dipisahkan dengan baik pada kolom dengan berbagai adsorben, yang memungkinkan untuk mengontrol kemurnian sampel fullerene dan tidak adanya atau adanya oksida di dalamnya. Namun, stabilitas rendah oksida fullerene menghalangi studi sistematis mereka.

Apa yang dapat dicatat tentang kimia organik fullerene adalah bahwa, sebagai poliena yang kekurangan elektron, fullerene C 60 menunjukkan kecenderungan reaksi radikal, nukleofilik, dan sikloadisi. Yang sangat menjanjikan dalam hal fungsionalisasi bola fullerene adalah berbagai reaksi sikloadisi. Karena sifat elektroniknya, C 60 dapat mengambil bagian dalam reaksi -sikloadisi, dan yang paling khas adalah kasus ketika n = 1, 2, 3 dan 4.

Masalah utama yang dipecahkan oleh ahli kimia sintetik yang bekerja di bidang sintesis turunan fullerene adalah selektivitas reaksi yang dilakukan hingga hari ini. Fitur stereokimia penambahan fullerene terdiri dari sejumlah besar isomer yang mungkin secara teoritis. Jadi, misalnya, senyawa C 60 X 2 memiliki 23 di antaranya, C 60 X 4 sudah memiliki 4368, di antaranya 8 adalah produk adisi pada dua ikatan rangkap. Isomer 29 C 60 X 4, bagaimanapun, tidak akan memiliki arti kimia, memiliki keadaan dasar triplet yang timbul dari adanya atom karbon hibridisasi sp2 yang dikelilingi oleh tiga atom hibridisasi sp3 yang membentuk ikatan C-X. Jumlah maksimum isomer yang mungkin secara teoritis tanpa memperhitungkan multiplisitas keadaan dasar akan diamati dalam kasus C 60 X 30 dan akan menjadi 985538239868524 (1294362 di antaranya adalah produk adisi pada 15 ikatan rangkap), sedangkan jumlah non -isomer tunggal dengan sifat yang sama seperti pada contoh di atas, tidak cocok untuk akuntansi sederhana, tetapi dari pertimbangan umum itu harus terus meningkat dengan pertumbuhan jumlah kelompok yang berafiliasi. Bagaimanapun, jumlah isomer yang dapat diterima secara teoritis dalam banyak kasus sangat besar, sementara beralih ke C 70 yang kurang simetris dan fullerene yang lebih tinggi, itu juga meningkat beberapa kali atau berdasarkan urutan besarnya.

Faktanya, banyak data perhitungan kimia kuantum menunjukkan bahwa sebagian besar reaksi halogenasi dan hidrogenasi fullerene berlanjut dengan pembentukan, jika bukan isomer yang paling stabil, maka setidaknya sedikit berbeda dari mereka dalam energi. Perbedaan terbesar diamati dalam kasus hidrida fullerene yang lebih rendah, yang komposisi isomernya, seperti yang ditunjukkan di atas, bahkan dapat sedikit bergantung pada rute sintesis. Namun, stabilitas isomer yang dihasilkan ternyata masih sangat dekat. Studi keteraturan ini dalam pembentukan turunan fullerene adalah masalah yang menarik, solusinya mengarah pada pencapaian baru di bidang kimia fullerene dan turunannya.

Menurut www.fullwater.com.ua

"FULLEREN - MATRIKS KEHIDUPAN..."

Jadi, tidak seperti bentuk karbon yang terkenal - berlian dan grafit, fullerene adalah molekul terdiri dari atom karbon. Anggota paling penting dari keluarga fullerene C60 terdiri dari 60 atom karbon. Memang, kita tidak bisa mengatakan "molekul berlian" atau grafit, ini hanya bentuk kristal dengan pengaturan spasial tertentu dari atom karbon dalam kisi. Fullerene adalah satu-satunya bentuk molekul karbon.

Alam telah menyatukan banyak konsep yang kontradiktif dalam satu objek.

Fullerene adalah penghubung antara bahan organik dan anorganik. Ini adalah molekul, dan partikel, dan gugus. Diameter molekul C60 adalah 1 nm, yang sesuai dengan batas kehalusan yang terletak di antara keadaan "sebenarnya", molekul dan koloid zat.

Jika kita melihat ke dalam fullerene, kita hanya akan menemukan kekosongan yang ditembus oleh medan elektromagnetik. Dengan kata lain, kita akan melihat semacam ruang hampa, berdiameter sekitar 0,4 nm, berisi “ tidak ada" - kekosongan, tertutup dalam cangkang karbon, seperti dalam semacam wadah. Selain itu, dinding wadah ini tidak memungkinkan partikel material apa pun (ion, atom, molekul) menembusnya. Tetapi ruang hampa itu sendiri, seolah-olah bagian dari kosmos, agak sesuatu daripada tidak ada yang mampu berpartisipasi dalam interaksi informasional yang halus dengan lingkungan material eksternal. Molekul fullerene dapat disebut "gelembung vakum", yang tidak cocok dengan tesis terkenal bahwa alam tidak mentolerir kekosongan. Vakum dan materi- dua dasar alam semesta bersatu secara harmonis dalam satu molekul.

Sifat lain yang luar biasa dari fullerene adalah interaksinya dengan air. Bentuk kristal diketahui tidak larut dalam air. Banyak upaya untuk mendapatkan larutan fullerene berair mengarah pada pembentukan sistem air fullerene koloid atau terdispersi kasar, di mana partikel mengandung sejumlah besar molekul dalam bentuk kristal. Mendapatkan larutan molekul air tampaknya tidak mungkin. Dan untuk memiliki solusi seperti itu sangat penting, dan pertama-tama untuk penggunaannya dalam biologi dan kedokteran. Sejak penemuan fullerene, aktivitas biologisnya yang tinggi telah diprediksi. Namun, pendapat yang diterima secara umum tentang hidrofobisitas fullerene telah mengarahkan upaya banyak ilmuwan untuk menciptakan turunan yang larut dalam air atau bentuk terlarut. Dalam hal ini, berbagai radikal hidrofilik dijahit ke molekul fullerene atau dikelilingi oleh polimer dan surfaktan yang larut dalam air, berkat molekul fullerene yang "dipaksa" untuk tetap berada dalam media berair. Dalam banyak karya, tinggi mereka aktivitas biologis. Namun, setiap perubahan pada kulit karbon terluar menyebabkan pelanggaran struktur elektronik dan simetri molekul fullerene, yang, pada gilirannya, mengubah spesifisitas interaksinya dengan lingkungan. Oleh karena itu, efek biologis dari molekul fullerene yang diubah secara artifisial sangat tergantung pada sifat radikal yang melekat dan pelarut serta pengotor yang terkandung. Individualitas molekul fullerene yang paling mencolok ditunjukkan dalam bentuk yang tidak dimodifikasi dan, khususnya, larutan molekulernya dalam air.

Solusi berair yang dihasilkan dari fullerene stabil dari waktu ke waktu (lebih dari 2 tahun), memiliki sifat fisik dan kimia yang tidak berubah dan komposisi yang konstan. Solusi ini tidak mengandung kotoran beracun. Idealnya, hanya air dan fullerene. Selain itu, fullerene tertanam dalam struktur multilayer alami air, di mana lapisan pertama air terikat kuat ke permukaan fullerene karena interaksi donor-akseptor antara oksigen air dan pusat akseptor pada permukaan fullerene.

Kompleks molekul besar seperti itu dengan air juga memiliki kapasitas buffer yang signifikan. Di dekat permukaannya, nilai pH = 7,2–7,6 dipertahankan, nilai pH yang sama ditemukan di dekat permukaan membran bagian utama sel-sel tubuh yang sehat. Banyak proses "penyakit" sel disertai dengan perubahan nilai pH di dekat permukaan membrannya. Pada saat yang sama, sel yang sakit tidak hanya menciptakan kondisi yang tidak nyaman untuk dirinya sendiri, tetapi juga secara negatif mempengaruhi tetangganya. Fullerene terhidrasi, berada di dekat permukaan sel, mampu mempertahankan nilai pH yang sehat. Dengan demikian, kondisi yang menguntungkan diciptakan bagi sel itu sendiri untuk mengatasi penyakitnya.

Dan sifat yang paling luar biasa dari fullerene terhidrasi adalah kemampuan untuk menetralisir radikal aktif. Aktivitas antioksidan fullerene 100-1000 kali lebih tinggi daripada aksi antioksidan yang diketahui (misalnya, vitamin E, dibunol, b-karoten). Selain itu, fullerene terhidrasi tidak menekan tingkat alami radikal bebas dalam tubuh, tetapi menjadi aktif hanya ketika konsentrasinya meningkat. Dan semakin banyak radikal bebas yang terbentuk di dalam tubuh, semakin aktif fullerene yang terhidrasi menetralisirnya. Mekanisme aksi antioksidan fullerene pada dasarnya berbeda dari aksi antioksidan yang diketahui digunakan dalam praktek. Dengan demikian, satu molekul antioksidan tradisional diperlukan untuk menetralkan satu radikal. Dan satu molekul fullerene terhidrasi mampu menetralkan radikal aktif dalam jumlah tak terbatas. Ini adalah semacam katalis antioksidan. Selain itu, molekul fullerene itu sendiri tidak berpartisipasi dalam reaksi, tetapi hanya merupakan elemen pembentuk struktur dari gugus air. ...

Bahkan pada awal abad terakhir, Akademisi Vernadsky memperhatikan bahwa materi hidup dicirikan oleh simetri yang tinggi. Berbeda dengan dunia anorganik, banyak organisme memiliki sumbu simetri lima kali lipat. Fullerene C60 memiliki 6 sumbu orde kelima, itu adalah satu-satunya molekul di alam dengan simetri yang unik. Bahkan sebelum penemuan fullerene, struktur molekul dari beberapa protein dikenal dalam bentuk fullerene, dan beberapa virus dan struktur biologis penting lainnya (misalnya) memiliki struktur serupa. Sangat menarik untuk mencocokkan molekul fullerene dan kluster minimalnya struktur sekunder DNA. Jadi ukuran molekul C60 sesuai dengan jarak antara tiga pasang basa komplementer dalam DNA, yang disebut. kodon, yang menentukan informasi untuk pembentukan satu asam amino dari protein yang disintesis. Jarak antara lilitan heliks DNA adalah 3,4 nm.Kluster C60 bulat pertama, terdiri dari 13 molekul fullerene, memiliki ukuran yang sama.

Diketahui bahwa karbon, terutama grafit dan karbon amorf, memiliki kemampuan untuk menyerap pada permukaannya molekul-molekul paling sederhana, termasuk yang dapat menjadi bahan untuk pembentukan molekul-molekul penting secara biologis yang lebih kompleks dalam proses pembentukan fondasi kehidupan. urusan. Fullerene, karena sifat akseptornya, mampu berinteraksi secara selektif dengan molekul lain, dan dalam kondisi lingkungan berair mentransfer sifat-sifat ini ke lapisan air yang teratur pada jarak yang cukup jauh dari permukaannya.

Ada banyak teori tentang asal usul kehidupan dari materi anorganik, dan kondisi utamanya adalah faktor-faktor seperti:

1. Konsentrasi molekul sederhana (CO, NO, NH3, HCN, H2O, dll.) di dekat situs aktif di mana reaksi terjadi dengan partisipasi sumber energi eksternal.
2. Komplikasi molekul organik yang terbentuk menjadi polimer dan struktur terurut primer.
3. Pembentukan struktur orde tinggi.
4. Pembentukan sistem reproduksi sendiri.

Secara eksperimental, ketika menciptakan kondisi yang ada di bumi pada periode prabiologis, kemungkinan mengamati faktor pertama terbukti. Pembentukan asam amino vital dan tidak penting dan beberapa basa nukleat di bawah kondisi ini cukup nyata. Namun, kemungkinan memenuhi semua kondisi untuk munculnya kehidupan praktis nol. Artinya, harus ada kondisi lain yang memungkinkan untuk secara sengaja menerapkan mekanisme perakitan elemen sederhana, memperumit dan menyusun senyawa organik yang dihasilkan ke tingkat penampilan makhluk hidup. Dan kondisi ini, menurut kami, adalah adanya matriks. Matriks ini harus memiliki komposisi yang konstan, memiliki simetri yang tinggi, berinteraksi (tetapi tidak kuat) dengan air, menciptakan lingkungan simetris molekul lain di sekitar dirinya pada jarak yang cukup jauh, mampu mengkonsentrasikan radikal aktif di dekat permukaannya dan berkontribusi pada netralisasinya dengan pembentukan molekul organik kompleks, pada saat yang sama untuk melindungi bentuk netral dari serangan radikal aktif, untuk membentuk struktur yang mirip dengan diri mereka sendiri dan struktur lingkungan air yang serupa. Dan yang terpenting, karbon harus menjadi matriks kehidupan karbon. Dan fullerene dalam keadaan terhidrasi memenuhi semua persyaratan ini. Dan, kemungkinan besar, perwakilan utama dan paling stabil dari keluarga fullerene C60. Sangat mungkin bahwa munculnya kehidupan bukanlah tindakan utama, tetapi proses ini terjadi terus menerus dan entah bagaimana mempengaruhi perkembangan kehidupan, pengujian kehidupan yang sudah ada dan pembentukan bentuk-bentuk barunya.

Fullerene ada di alam di mana pun ada karbon dan energi tinggi. Mereka ada di dekat bintang karbon, di ruang antarbintang, di tempat di mana petir menyambar, atau di dekat kawah gunung berapi, bahkan ketika gas dibakar di kompor gas rumah. Fullerene juga ditemukan di tempat-tempat akumulasi batuan karbon. Tempat khusus di sini milik batuan shungite Karelia. Batuan ini mengandung hingga 90% karbon murni berusia sekitar 2 miliar tahun. Sifat asal mereka masih belum jelas. Salah satu asumsinya adalah jatuhnya meteorit karbon besar. PADA shungite fullerene alami ditemukan untuk pertama kalinya. Kami juga berhasil mengekstraksi dan mengidentifikasi fullerene C60 di shungite.

Sejak zaman Peter I, ada mata air penyembuhan di Karelia " Perairan bela diri". Selama bertahun-tahun, tidak ada yang akhirnya bisa menjelaskan alasan sifat penyembuhan dari sumber ini. Diasumsikan bahwa peningkatan kandungan zat besi adalah penyebab efek penyembuhan. Namun, ada banyak sumber yang mengandung zat besi di bumi, dan, sebagai aturan, tidak ada efek terapeutik. Hanya setelah penemuan fullerene di bebatuan shungite yang dilalui mata air, muncul asumsi bahwa fullerene adalah efek penyembuhan tertinggi dari air Martial. Namun, sifat penyembuhan dari air ini, seperti air lelehan, tidak bertahan lama. Itu tidak dapat dibotolkan dan digunakan sesuai kebutuhan. Keesokan harinya ia kehilangan propertinya. Air bela diri, setelah melewati batu yang mengandung fullerene dan struktur seperti fullerene, hanya "jenuh" dengan struktur yang diberikan batu itu. Dan selama penyimpanan, kelompok pemberi kehidupan ini hancur. Fullerene tidak secara spontan memasuki air dan, oleh karena itu, tidak ada elemen pembentuk struktur yang mampu mempertahankan kelompok air yang teratur untuk waktu yang lama, dan, oleh karena itu, air tersebut dengan cepat memperoleh sifat-sifat air biasa. Selain itu, ion-ion yang ada di dalamnya sendiri mengatur ulang struktur asli air, menciptakan gugus hidratnya sendiri.

Setelah menerima larutan fullerene molekuler-koloid dalam air, kami mencoba mereproduksi esensi air Martial di laboratorium. Tetapi untuk ini, mereka mengambil air dengan kemurnian tinggi dan menambahkan larutan fullerene dalam dosis homeopati. Setelah itu, mereka mulai melakukan uji biologis pada berbagai model. Hasilnya luar biasa. Di hampir semua model patologi, kami menemukan efek biologis yang positif. Eksperimen telah berlangsung selama lebih dari 10 tahun. Dengan eksperimen yang ditempatkan dengan baik, setiap perubahan patologis pada organisme hidup hampir selalu berusaha untuk kembali normal. Tapi ini bukan obat tindakan yang ditargetkan dan bukan senyawa kimia asing, tetapi hanya bola karbon yang dilarutkan dalam air. Selain itu, seseorang mendapat kesan bahwa fullerene terhidrasi cenderung membawa " kondisi normal“Semua perubahan dalam tubuh, hingga struktur yang dihasilkannya sebagai matriks dalam proses kelahiran kehidupan.