فولرین - این چیست؟ خواص و کاربرد فولرن

فرم چند شکلی مولکولی کربن یا اصلاح آن، فولرین، - یک صورت C _n خط طولانی _(N> 20) خوشه اتمی، که polyhedra محدب ساخته شده از اتم های کربن بسته و داشتن یک چهره پنج یا شش ضلعی (استثناهایی در اینجا بسیار نادر وجود دارد). اتم کربن در فولرین unsubstituted تمایل به SP ² دولت -hybrid با تعدادی هماهنگی 3. بنابراین یک سیستم غیر اشباع مزدوج کروی با توجه به باند نظریه ظرفیت تشکیل شده است.

توصیف کلی

بیشترین ترمودینامیکی پایدار تحت نرمال شرایط شکلی از کربن - گرافیت، که به نظر می رسد مانند یک پشته به سختی با هر گرافن دیگر متصل: یک شبکه تخت، متشکل از سلولهای شش ضلعی، که در آن رئوس - اتم های کربن. هر کدام از آنها، با سه اتم همسایه همراه است، و الکترون ظرفیتی چهارم PI-سیستم را تشکیل میدهد. بنابراین، فولرین - آن دقیقا به این شکل مولکولی است، یعنی تصویر SP ² -hybrid دولت آشکار است. اگر ما در ورقه گرافن نقص هندسی معرفی به ناچار ساختار بسته را تشکیل میدهد. به عنوان مثال، چنین نقص حلقه پنج عضو (چهره پنج)، دقیقا همان است، همراه با رایج شیمی کربن شش ضلعی است.

قضیه اویلر می گوید که تولید یک جسم چند وجهی بسته با راس trohkoordinirovannymi ممکن است اگر دوازده پنج ضلعی را معرفی می کنیم، صرف نظر از تعدادی از چهره شش ضلعی است. از این رو، اندازه حداقل یک فولرین - به طور رسمی C ₂₀ دوازده وجهی است. با این حال انحنای سازه های مشابه، داشتن تعداد کمی از اتم های کربن بالا است، و در نتیجه به SP ² -hybrid دولت است بسیار مطلوب نیست، از کربن ترجیح هماهنگی مسطح. به همین دلیل کوچکترین در شکل خالص به دست آمده فولرین آن - C _{60 است،} داشتن ساختار یک بیستوجهی کوتاه به طور منظم. در آن چهره شش ضلعی از یکدیگر جدا همه پنج. فولرین شیمی خواستار این حقیقت حکومت جدا شده پنج ضلعی، و آن را منوط به فولرین واقعا قابل دسترسی است.

فرمول

Gidrantirovanny نشان داده C ₆₀ فولرین (C ₆₀ HyFn). این مجموعه با دوام آبدوست ابرمولکولی، که متشکل از یک مولکول فولرین C ₆₀ را در اولین شیر آتش نشانی پوسته و بیست و چهار مولکول های آب. C ₆₀ (H ₂ O) ₂₄ - این فولرین که فرمول _است. این بیست شش ضلعی و دوازده ضلعی تشکیل شده، ظاهرا شبیه یک توپ فوتبال است. علاوه بر این، تعدادی از فولرین C ₇₀ مکمل به عنوان ساختارهای میانی، خواهد بود که تمام پنج ضلعی جدا شده، وجود ندارد. از آنجا که C ₇₈ ساختار فولرین اجازه می دهد تا به مشاهده چند ایزومر پایدار از هر اسکلت کربن است. از لحاظ تئوری ممکن است که فولرین با اتم های کربن حتی هر تعداد، «فلورن بالاتر" وجود دارد.

آماده سازی فولرین ها بر اساس قوس یا روش پرتو الکترونی و با تبخیر لیزری گرافیت در یک فضای هلیوم رخ می دهد بیشتر. دوده، که متراکم در سطح راکتور است، در رفلاکس بنزن، تولوئن، زایلن و یا دیگر حلال های آلی درمان می شود. راه حل تبخیر، تشکیل یک میعانات سیاه و سفید، ده تا پانزده درصد متشکل از C ₇₀ و C ₆₀ فولرین و همچنین مقدار بسیار کمی از فولرین بالاتر است.

نسبت بین furellenami مختلف ممکن است متفاوت باشد، بسته به پارامترهای سنتز، اما به طور معمول ₆₀ C غالب، آن است که چندین بار بیشتر. در میان اکثر بالاترین C _78، C ₇₆ و C _84. در تصویر کلی است کاهش در نسبت سنتز فولرین از همه محصولات وجود دارد. به این خاطر، به احتمال زیاد، با احتمال کم از مونتاژ سازه های بزرگ از خوشه های کوچک در ابتدا تبخیر شده است.

آب حاوی فولرین

شایع ترین و گسترده مورد مطالعه قرار C _60، که در آن یک مولکول از ماده در واقع بیست و چهار مولکول های آب است. این مولکول فولرین است تقارن بالا، که در آن تمام اتم معادل هستند. فرم کروی آن به فاصله از مرکز هسته های اتمی به حدود 0.36 نانومتر و شعاع حدود 0.5 نانومتر است. این به شکل یک کریستال مولکولی که در آن مولکول هستند چهره محور شبکه مکعبی، سه لایه متراکم ترین بسته بندی کروی. در دمای بالا، ₆₀ تصعید C بدون تشکیل یک فاز مایع. بهترین از همه آن است که در مواد معطر از نوع حلال دی سولفید کربن حل شده، و قطبی - بسیار بدتر است. دراز بیضی شکل ₇₀ C، و همچنین به عنوان فولرین بالاتر دارای خواص فیزیکی بسیار شبیه به C _60.

و در زمینه شیمی آنها بسیار سخاوتمند تر هستند و به هر فرصتی برای به دست آوردن طبقات مختلف خود از مشتقات: Metallofullerenes، heterofullerene. خانواده از محصولات ثروتمند همه ekzoendralnogo (outer-) اتصال، زیرا هر یک از اتم کربن - سایت واکنش در دسترس نیست. این خواص فولرین. آنها با ایجاد محصولات جدید، اتم هالوژن و هیدروژن، رادیکال آلی، وابستگی حتی چرخه می تواند رخ دهد پیوست. بنابراین مواد پلیمری حاوی فولرین مولتی گرید ترکیب به دست آمده. ₆₀ K C می پیوندد تا چهل و هشت جایگزین بدون از بین بردن اسکلت کربن است. بنابراین، برای مثال، به دست آمده توسط C ₆₀ F _48، و بسیاری از این ترکیبات استفاده شده، در جایی که پایه و اساس فولرین.

کاربرد

تقریبا فولرین علاقه مند در مناطق کاملا متفاوت است. با در نظر خواص الکترونیکی آنها را می توان آنها را و مشتقات آنها به عنوان نیمه هادی در نظر گرفته. فولرین به آسانی جذب اشعه UV، آنها توانایی الکترون خروج بالا. همه این خواص را می توان به آنها اعمال می شود در فتوولتائیک، سنسورهای فوتوالکتریک، دستگاه های انرژی خورشیدی الکترونیک مولکولی مختلف. فولرین در پزشکی به عنوان عوامل ضد ویروسی و ضد میکروبی استفاده می شود، به عنوان عوامل در درمان فتودینامیک و متر ص

فن آوری های مدرن نسبتا به سرعت اجازه داده اند به افزایش تعداد کل واحدهای به فولرین تر نیز بهتر و کارآمد تر روش کار برای درمان خود هستند. به همین دلیل است که هزینه، برای مثال، C ₆₀ مرور و در دهه و نیم گذشته (با ده هزار به ده تا پانزده دلار در هر گرم) کاهش یافته است. در حال حاضر ما با یک وضعیت که برای کاربردهای صنعتی واقعی و فولرن به فرد سقوط مواجه شده است. استفاده از آنها در حال رشد است و هر روز در حال رشد.

برای اطلاعات در مورد باز

فولرین پس از معمار معروف و مهندس Richarda Bakminstera Fullera، که بر اساس ساختار آنها اختراع ساختار متشکل از سطوح هندسی به نام. در ابتدا، این دسته از ترکیبات به ساختار، که شامل تنها شش و پنج چهره محدود شده است. اگر ترکیب مولکول فولرین در علاوه بر این به اتم های کربن حاضر عناصر شیمیایی مختلف هستند، و آنها در داخل اسکلت کربن، واقع کسانی که به نام فولرین endohedral. اگر اتم های عناصر دیگر در خارج از فولرین واقع شده است exohedrally دست آمده است. نام خود را، این شکل مولکولی بود بسیار طولانی پیش - در سال 1985، هنگامی که یک گروه از محققان این کشف را غیر منتظره از فولرین. کوچک، Kroto، حلقه و دیگر شیمیدانان جفت گرافیت که توسط لیزر (تابش) خوب به دست آمده بودند وارد مطالعه شدند قله پیدا شد که یک دامنه حداکثر مربوط به خوشه از اتم های کربن شصت و هفتاد بود.

بنابراین ما محاسبه مولکول C ₆₀ و C _70، و همچنین این فرضیه که مولکول اول در شکل یک بیستوجهی کوتاه ساخته شده است. فقط فولرین - این رایج ترین C ₆₀ به نام bakminsterfullerenom و بقیه مولکول است.

دانشمندان-شیمیدانان به خوبی در معماری آشنا و به یاد فولر بود که گنبد در ساختمان ها ساخته شده است - پنج ضلعی، شش ضلعی شکافته، که پایه و اساس ساختار اسکلت مولکولی کاملا تمام فولرین است. با این حال، این است - یک داستان جالب، و نه بدون تاریخ جالب. در امکان وجود چنین مولکول تا حدودی قبل از آن در ژاپن (1971) نوشته شده بود، و بر اساس نظری به دست آمد و در اتحاد جماهیر شوروی (1973) منتشر شده است. با این حال، Kroto، حلقه و کوچک دریافت جایزه نوبل در شیمی.

طبیعت و تکنولوژی

تهیه فولرین خالص سنتز مصنوعی امکان پذیر است. این ترکیبات ادامه به شدت در کشورهای مختلف مورد مطالعه، شرایطی که تحت آن شکل گیری آنها رخ می دهد تنظیم، و در نظر گرفته ساختار فولرین و خواص آنها. یک میدان به طور فزاینده در حال رشد از نرم افزار است. مشخص شد که مقدار قابل توجهی از فولرین موجود در دوده، که در الکترودهای گرافیت در تخلیه قوس الکتریکی تشکیل شده است. در اوایل این واقع به سادگی هرگز دوباره دیده.

وقتی فولرین در شرایط آزمایشگاهی، مولکول کربن تولید و شروع به در طبیعت شناسایی شده است. در کارلیا، ما آنها را در شونگیتس نمونه، هند و ایالات متحده یافت - در furulgitah. همچنین بسیاری از و مکرر مولکول های کربن در شهاب سنگ ها و رسوبات در پایین است که کمتر از شصت و پنج میلیون سال. بر روی زمین فولرین خالص را می توان از رعد و برق و احتراق گاز طبیعی تشکیل شده است. نمونه های هوا گرفته بیش از مدیترانه، در سال 2011 مورد مطالعه قرار گرفته، و آن است که تمام نمونه های گرفته شده - از استانبول - بارسلون است فولرین وجود دارد. خواص فیزیکی ماده موجب شکل گیری خود به خود. همچنین مقدار بسیار عظیمی از آن را در فضا بر داشت - و در حالت گازی، و به شکل جامد.

ترکیب

اولین آزمایش از انزوا فولرین طریق بخارات تغلیظ شده از گرافیت، که توسط تابش اشعه لیزر از نمونه گرافیت جامد به دست آمد رخ داده است. موفق به دریافت تنها اثری از فولرن. فقط در سال 1990 توسط شیمیدان های هافمن، گوشت بره و کرشمر یک روش جدید تولید فولرین مقادیر گرمی توسعه یافته است. این در سوزاندن الکترودهای گرافیت توسط یک قوس الکتریکی در فضای هلیوم و تحت فشار کم بود. آیا فرسایش آند و دیواره های محفظه را به نظر می رسد دوده حاوی فولرن.

علاوه بر این، دوده در تولوئن و یا بنزن حل شده، و در محلول حاصل از گرم بود مولکولهای خالص C ₇₀ و C _60. نسبت - 1: 3. علاوه بر این، یک راه حل متشکل از سنگین و دو درصد بالاتر فولرین سفارش. در حال حاضر آن آسان بود: انتخاب پارامترهای بهینه برای تبخیر - ترکیب جو، فشار، قطر الکترود، جریان و غیره، برای رسیدن به حداکثر عملکرد فولرن. آنها تا حدود دوازده درصد از مواد آند واقعی بودند. به همین دلیل است فولرین خیلی گران هستند.

تولید

تمام تلاشها برای دانشمندان تجربی ابتدا بیهوده بود: روش مولد و ارزان تر از فولرین تولید می باشد. نه شعله سوزان از هیدروکربن و یا سنتز شیمیایی ناموفق بودند. روش قوس الکتریکی است سازنده ترین بوده است، اجازه می دهد تا شما را به دریافت اطلاعات مربوط به یک گرم از فولرین در ساعت است. این شرکت میتسوبیشی را توسعه داده است یک روش برای تولید احتراق هیدروکربن، اما آنها فولرین خالص نیست - آنها حاوی مولکول های اکسیژن. و تا کنون آن هنوز مشخص نیست که مکانیسم تشکیل این ماده، زیرا فرآیندهای قوس الکتریکی از یک نقطه ترمودینامیکی نظر بسیار ناپایدار است، و آن را بسیار به شدت مهار نظر گرفتن این نظریه است. تنها شواهد انکار ناپذیر است که اتم های کربن فولرین فرد جمع آوری، به عنوان مثال C ₂ قطعات. با این حال، تصویر روشنی از شکل گیری این ماده تشکیل نشده است.

هزینه های بالای فولرین مصمم است نه تنها بازده کم زمانی که سوخته. جداسازی، خالص سازی، جدایی از فولرین با جرم های مختلف دوده - همه این فرایندهای بسیار پیچیده هستند. به خصوص آن مربوط جدا مخلوط را به کسر مولکولی جداگانه، که توسط ستون کروماتوگرافی مایع و فشار بالا برگزار شد. در آخرین مرحله از باقی مانده های حلال از فولرین در حال حاضر جامد حذف. برای این نمونه تحت خلاء پویا در یک درجه حرارت تا دو صد و پنجاه درجه نگهداری می شود. اما مزیت این است که در طول توسعه فولرین C ₆₀ و آن را دریافت در مقادیر میکروسکپی در حال حاضر شیمی آلی رشد کرده است شاخه مستقل - شیمی فولرین، که فوق العاده محبوب تبدیل شده است.

سود

مشتقات فولرن در زمینه های مختلف از تکنولوژی استفاده می شود. فویل و کریستال فولرین - نیمه هادی داشتن هدایت نور تحت تابش نوری است. کریستال C _60، اگر اتم دوپ فلزات قلیایی، انتقال به حالت ابررسانایی. راه حل فولرین دارای خواص نوری غیرخطی، و بنابراین می تواند به عنوان پایه پرده کرکره های نوری است که برای محافظت از تابش شدید لازم است استفاده می شود. همچنین فولرین عنوان یک کاتالیزور برای سنتز الماس استفاده می شود. فولرین به طور گسترده ای در زیست شناسی و پزشکی استفاده می شود. این استخدام سه ویژگی از این مولکول ها: تعیین لیپوفلیسیته membranotropnyh، elektronodefitsit دادن تعامل توانایی با رادیکال های آزاد است، اما همچنین توانایی انتقال مولکول اکسیژن معمولی حالت برانگیخته خود را و به نوبه خود واحد اکسیژن است.

از جمله مواد واکنش حمله مولکولهای زیستی: اسیدهای نوکلئیک، پروتئین، چربی. گونه های فعال اکسیژن در درمان فتودینامیک برای درمان سرطان استفاده می شود. خون بیمار است حساسگر معرفی، تولید گونه های اکسیژن فعال - در واقع فولرین یا مشتقات آنها. جریان خون در تومور ضعیف تر از بافت های سالم است و به دلیل حساسگر در آن تجمع می یابد، و بعد از جهت تابش این مولکول با تولید گونه های اکسیژن فعال هیجان زده است. سلول های سرطانی را تجربه آپوپتوز، و تومور از بین می رود. علاوه بر آن - فولرین دارای خواص آنتی اکسیدان و تله گونه های اکسیژن فعال.

فولرین را کاهش می دهد فعالیت های اینتگراز HIV، یک پروتئین است که مسئول برای ادغام ویروس به DNA با تعامل با آن را با تغییر ترکیب و محروم کردن او از مخرب تابع اصلی. برخی از مشتقات فولرن طور مستقیم با DNA و مهار restiktaz اقدام است.

بیشتر در مورد پزشکی

در سال 2007، فولرین محلول در آب شروع به خوردن آنها به عنوان عوامل ضد حساسیت استفاده می شود. C60 (خالص) x و C60 (OH) X - مطالعات از خون انسان و سلول هایی که در معرض شده اند مشتقات فولرن انجام شد. در آزمایش بر روی موجودات زنده - موش - نتایج مثبت بودند.

در حال حاضر، یک ماده به عنوان یک بردار تحویل مواد مخدر استفاده می شود، به این دلیل که آب حاوی فولرین (فراخوان آبگریزی C ₆₀₎ نفوذ غشاء سلول بسیار آسان است. به عنوان مثال، اریتروپویتین - هورمون کلیوی به طور مستقیم به جریان خون وارد شده، تخریب در مقدار قابل توجهی است، و اگر آن را همراه با فولرین استفاده می شود، غلظت افزایش به بیش از دو برابر، به دلیل آن را به داخل سلول می شود.